基于STM32混合式步进电机控制系统设计

夏雯娟 徐晓光 陆涛 马平华

摘 要：混合式步进电机是一种高精度的高转矩低转速伺服电机，但电机参数的时变性会使步进电机在运行时出现失步。为此设计STM32处理器的混合式步进电机控制系统，采用模糊自适应PID控制算法对步进电机形成闭环控制，本文阐述了μC/OS-II嵌入式实时操作系统在STM32上的移植及应用。

关键词：混合式步进电机；STM32处理器；模糊自适应PID控制；μC/OS-II

0 引言

步进电机是非线性、时变、滞后的控制对象，易受使用环境的干扰，因此在工业中的应用也受到了限制。为了提高两相混合步进电机的控制性能，微处理器STM32F103ZET6芯片采用Cortex-M3核，结合μC/OS-II嵌入式实时操作系统在Cortex-M3内核微处理器上的应用，进行嵌入式控制系统硬件电路的设计和软件的开发。

1 系统硬件设计

核心处理器为STM32F103ZET6，由该芯片和它的外围电路共同完成整个系统的控制以及数据的采集、传输、处理和显示。

控制系统采用光电测速仪采集脉冲作为STM32控制器的输入信号，经过处理得到步进电机的转速和转向。它通过FSMC（静态存储控制器）与核心控制器进行通信。

本次设计选用的混合式步进电机型号为42HB48-174，驱动芯片为YK2404MA，电机和驱动芯片的驱动电压为24V，电源电压选择为12V，因此需要设计多个变压电路以满足电机驱动和核心控制器的要求。

2 模糊自适应PID控制器设计

由模糊控制规则可以确定模糊关系R，然后选择Mamdani型模糊逻辑推理系统，可以得出控制量的模糊集合U。经过模糊推理后，需要对模糊控制器调整的参数进行清晰化处理，以获得精确量，本次控制器中采用的清晰化方法是最大隶属度法。

根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入公式计算。

3 软件设计

软件设计包括两个部分，分别是系统软件和应用软件。本次设计中的微处理器STM32选择的系统实时操作系统为μC/OS-II，通过μC/OS-II在STM32上的移植来完成系统软件设计，而应用软件功能的实现是建立在此基础之上。

系统软件移植指的是一个操作系统可以在某个微处理器或者微控制器上运行。实时操作系统μC/OS-II的移植要求移植者对被移植体系的四个重要部分有较深的了解：即目标体系、操作系统及其原理、编译器、所使用芯片这四部分。实时操作系统μC/OS-II的移植过程其实只需要修改与处理器部分相关的代码即可，其它部分的现有代码不需要做修改，与具体应用相关的代码在具体设计的时候在做相应的修改。与此同时，处理器需要给操作系统预留一个专用的定时器，该特定的定时器用来产生定时器中断。

（1） OS_CPU.H 文件

该文件包括了用户#define语句定义的变量，以增加代码的可移植性，由于不同的处理器其数据长度不同，因此需要对数据长度进行重新定义。

（2） OS_CPU_C.C文件

OS_CPU_C.C文件包含一个必要的OSTaskStkInit（）函数和9个空函数的声明，实时操作系统在创建任务时，需要通过调用OSTaskStkInit（）函数，调用该函数的目的是建立堆栈的结构，同时给堆栈赋上新的初始值，并且寄存器中的值都保存在新建立的堆栈中，方便在接下来的操作中对其进行任务切换。

4 结束语

本次设计采用STM32F103ZET6作为核心控制芯片，主要完成步进电机的运动控制，为了提高控制精度，采用了模糊自适应PID控制算法，减少环境因素对电机的影响。选用μC/OS-II实时操作系统作为软件平台，并进行软件系统移植和应用程序设计。本文的创新之处是使用了當前应用广泛的微处理器并且在该处理器上进行算法的应用，但是步进电机的运行尚需完善。

【基金项目：安徽高校省级自然科学研究项目，项目编号：KJ2014A024】

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