两相混合式步进电机系统研制

杨敏 魏敏敏 杨文镪 车驭 朱有玉 张庆

摘要：步进电机是一种由直流脉冲驱动且其转速与脉冲频率相关的脉冲电机。本文针对两相混合式步进电机系统研制进行了探究，并结合实验平台的需要，还研究了STM32微控制处理器产生PWM波的方法，并分析得出了改变PWM波频率的最佳方案，在保证脉冲质量的前提下产生了调节范围在10～2000Hz的PWM波。通过软硬件相结合，实验结果基本实现了用PWM波对步进电机各功能的精确控制。为了便于对步进电机进行检测和功能控制，本文还研究了脉冲频率手动和自动调节的方法，并通过串口通信实现了下位机与上位机之间的通信。

关键词：PWM波；STM32；CortexM3；步进电机

1课题研究背景

步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可以看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。具有定位精度高、可控性好、工作稳定可靠、控制简单、造价便宜、性能可靠的特点。因而其被广泛应用在数控设备、机械手、绘图机、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。进电机及其系统存在低速容易振荡、高速转矩变小、失步等缺点，阻碍和制约了步进电机的发展，因而其常用于低速驱动。

2系统组成与CortexM3微控制器分析

2.1系统组成

整个系统由上位机、步进电机驱动器、步进电机、220V交流电转5V直流电变压器、STM32微控制处理器、控制板等部分组成。

2.2CortexM3微控制器

CortexM3内核既包含了适用于传统的Thumb指令译码器又拥有新型Thumb2指令译码器，同时，它还拥有一个支持硬件乘法和硬件除法的先进ALU、控制逻辑和用于连接处理器其他部件的接口。CortexM3处理器与系统部件之间的连接时通过紧耦合的方式来实现的，这么做的好处是减小了芯片面积，与现有的三级流水线内核相比，其面积可以缩小了30%左右。同时，CortexM3处理器实现了Thumb2指令集构架，代码密度高，既能满足32位ARM指令集的性能，同时也能降低存储器的需求。

3电源电路设计

电源电路的设计采用具有稳压精度高，输出电压稳定，电压纹波很小，输出电流能力强等特性的线性集成稳压电源芯片。

电源系统采用数字电源和模拟电源分开设计，分别为控制板上的数字电路模块和模拟电路模块供电。为保证较好的电源整体以及保证电路板的穩定性和可靠性，在所设计的直流电源电路中需要抑制噪声电压，这就需要我们配置去耦电容。我们采用在大电容和小电容并联的方法来实现电源电路的去耦设计。其原理是通过电容的等效电感值的减小，将频率较高的不需要的电流通过小电容短接到地，这时所起的作用也称电源高频干扰退耦。本文的电路图中，通过设计一个1～10μF的大电容来使得低频噪声被过滤，同时再并联一个大小为0.01～0.1μF的小电容来使得高频噪声被过滤，通过这样相差两个数量级的电容来实现预期的功能。最后，采用LED和限流电阻的组合作为电源指示。

4步进电机控制系统程序设计与调试

4.1程序开发与STM32固件库

采用STM32F103RCT6控制芯片，基于KeilMDK进行软件编程。KeilMDK是德国知名软件公司Keil开发的微控制器软件开发平台，其为用户提供了C编译器、宏汇编、链接器、库管理和实用而功能丰富的仿真调试器，并通过集成开发环境（uVision）将各个功能模块组合成为了一个完整的开发方案。STM32固件库是一个固件包，该固件库针对基于ARM32位MCUSTM32F101xx和STM32F103xx。固件库由程序、程序结构和覆盖所有外设特性的宏单元以及设备驱动的描述和外围模块的实例等多个部分组成。

4.2主程序设计

对于步进电机控制系统，如下几个方面需要通过软件编写来实现其功能：脉冲产生程序、AD采样和转换程序、USART通信配置程序、面板按键信号采集程序。通过这几方面的编程，就可以通过STM32产生步进脉冲对步进电机进行驱动，以实现预期功能。

4.3程序调试实验结果

本课题的程序都是利用KeiluVision4进行编写和编译，调试成功并进行了软件仿真。脉冲质量对步进电机的驱动起到至关重要的作用，通过仿真可以看出，通过STM32产生的PWM波能保证质量。当脉冲频率在10～2000Hz之间调节时，虽然误差在逐渐增大，但通过计算不难看出，误差变化最大也只是0.175%，误差较小，在可接受范围。

4.4上位机控制界面设计

上位机控制界面的设计采用的是VisualBasic软件。VisualBasic又简称VB，可以说，VB在世界上人们所使用的计算机语言中占有很大的份额。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。

4.5未来研究方向

进一步加强系统电气连接的安全性和规范性，完善系统保护电路，对一些可能出现的状况进行预知和判断，并提出相应的解决方案，完善整个系统的硬件电路平台，使各功能模块联系更加紧密；通过改进程序，进一步提高所产生的PWM波频率的精度，减小误差，进一步提高频率调节的多样性；充分利用STM32微控制处理器强大的功能模块，完善步进电机控制系统，增强对步进电机的可操作性，在上位机控制界面中增加更多的控制功能，实现对步进电机更精确和复杂的控制。

参考文献：

[1]宋波，韦薇，张孝其.两相混合式步进电机驱动器的设计[J].电子工业专用设备，2014（228），2006.