兩相混合式步進電機系統研制

楊敏 魏敏敏 楊文鏹 車馭 朱有玉 張慶

摘要：步進電機是一種由直流脈沖驅動且其轉速與脈沖頻率相關的脈沖電機。本文針對兩相混合式步進電機系統研制進行了探究，并結合實驗平臺的需要，還研究了STM32微控制處理器產生PWM波的方法，并分析得出了改變PWM波頻率的最佳方案，在保證脈沖質量的前提下產生了調節范圍在10～2000Hz的PWM波。通過軟硬件相結合，實驗結果基本實現了用PWM波對步進電機各功能的精確控制。為了便于對步進電機進行檢測和功能控制，本文還研究了脈沖頻率手動和自動調節的方法，并通過串口通信實現了下位機與上位機之間的通信。

關鍵詞：PWM波；STM32；CortexM3；步進電機

1課題研究背景

步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可以看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的同步電機。具有定位精度高、可控性好、工作穩定可靠、控制簡單、造價便宜、性能可靠的特點。因而其被廣泛應用在數控設備、機械手、繪圖機、印刷和包裝設備等工業、軍事和醫療自動化領域中。進電機及其系統存在低速容易振蕩、高速轉矩變小、失步等缺點，阻礙和制約了步進電機的發展，因而其常用于低速驅動。

2系統組成與CortexM3微控制器分析

2.1系統組成

整個系統由上位機、步進電機驅動器、步進電機、220V交流電轉5V直流電變壓器、STM32微控制處理器、控制板等部分組成。

2.2CortexM3微控制器

CortexM3內核既包含了適用于傳統的Thumb指令譯碼器又擁有新型Thumb2指令譯碼器，同時，它還擁有一個支持硬件乘法和硬件除法的先進ALU、控制邏輯和用于連接處理器其他部件的接口。CortexM3處理器與系統部件之間的連接時通過緊耦合的方式來實現的，這么做的好處是減小了芯片面積，與現有的三級流水線內核相比，其面積可以縮小了30%左右。同時，CortexM3處理器實現了Thumb2指令集構架，代碼密度高，既能滿足32位ARM指令集的性能，同時也能降低存儲器的需求。

3電源電路設計

電源電路的設計采用具有穩壓精度高，輸出電壓穩定，電壓紋波很小，輸出電流能力強等特性的線性集成穩壓電源芯片。

電源系統采用數字電源和模擬電源分開設計，分別為控制板上的數字電路模塊和模擬電路模塊供電。為保證較好的電源整體以及保證電路板的穩定性和可靠性，在所設計的直流電源電路中需要抑制噪聲電壓，這就需要我們配置去耦電容。我們采用在大電容和小電容并聯的方法來實現電源電路的去耦設計。其原理是通過電容的等效電感值的減小，將頻率較高的不需要的電流通過小電容短接到地，這時所起的作用也稱電源高頻干擾退耦。本文的電路圖中，通過設計一個1～10μF的大電容來使得低頻噪聲被過濾，同時再并聯一個大小為0.01～0.1μF的小電容來使得高頻噪聲被過濾，通過這樣相差兩個數量級的電容來實現預期的功能。最后，采用LED和限流電阻的組合作為電源指示。

4步進電機控制系統程序設計與調試

4.1程序開發與STM32固件庫

采用STM32F103RCT6控制芯片，基于KeilMDK進行軟件編程。KeilMDK是德國知名軟件公司Keil開發的微控制器軟件開發平臺，其為用戶提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和實用而功能豐富的仿真調試器，并通過集成開發環境（uVision）將各個功能模塊組合成為了一個完整的開發方案。STM32固件庫是一個固件包，該固件庫針對基于ARM32位MCUSTM32F101xx和STM32F103xx。固件庫由程序、程序結構和覆蓋所有外設特性的宏單元以及設備驅動的描述和外圍模塊的實例等多個部分組成。

4.2主程序設計

對于步進電機控制系統，如下幾個方面需要通過軟件編寫來實現其功能：脈沖產生程序、AD采樣和轉換程序、USART通信配置程序、面板按鍵信號采集程序。通過這幾方面的編程，就可以通過STM32產生步進脈沖對步進電機進行驅動，以實現預期功能。

4.3程序調試實驗結果

本課題的程序都是利用KeiluVision4進行編寫和編譯，調試成功并進行了軟件仿真。脈沖質量對步進電機的驅動起到至關重要的作用，通過仿真可以看出，通過STM32產生的PWM波能保證質量。當脈沖頻率在10～2000Hz之間調節時，雖然誤差在逐漸增大，但通過計算不難看出，誤差變化最大也只是0.175%，誤差較小，在可接受范圍。

4.4上位機控制界面設計

上位機控制界面的設計采用的是VisualBasic軟件。VisualBasic又簡稱VB，可以說，VB在世界上人們所使用的計算機語言中占有很大的份額。它源自于BASIC編程語言。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發（RAD）系統，可以輕易的使用DAO、RDO、ADO連接數據庫，或者輕松的創建ActiveX控件。

4.5未來研究方向

進一步加強系統電氣連接的安全性和規范性，完善系統保護電路，對一些可能出現的狀況進行預知和判斷，并提出相應的解決方案，完善整個系統的硬件電路平臺，使各功能模塊聯系更加緊密；通過改進程序，進一步提高所產生的PWM波頻率的精度，減小誤差，進一步提高頻率調節的多樣性；充分利用STM32微控制處理器強大的功能模塊，完善步進電機控制系統，增強對步進電機的可操作性，在上位機控制界面中增加更多的控制功能，實現對步進電機更精確和復雜的控制。

參考文獻：

[1]宋波，韋薇，張孝其.兩相混合式步進電機驅動器的設計[J].電子工業專用設備，2014（228），2006.