基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

南京科技職業(yè)學(xué)院 牛宗超 王 運(yùn) 徐 森 錢丹浩

基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

南京科技職業(yè)學(xué)院 牛宗超 王 運(yùn) 徐 森 錢丹浩

本文設(shè)計(jì)了以STM32為核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過4.3寸觸摸屏控制信號(hào)對57型號(hào)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式，包括轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速率及轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)，達(dá)到精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的目的。

STM32；步進(jìn)電機(jī)；蠕動(dòng)泵

1 引言

目前步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的研究取得了極大的發(fā)展，我們研制了一種基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器。其主要功能是實(shí)現(xiàn)針對微生物實(shí)驗(yàn)中對流體的單獨(dú)輸送和計(jì)量進(jìn)行高效控制。

2 控制工作原理分析

本系統(tǒng)采用“STM32控制器+電機(jī)驅(qū)動(dòng)器+觸摸屏”的方案，從硬件連接和軟件開發(fā)兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確控制。整個(gè)控制系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)控制器為核心，連接觸摸屏構(gòu)成可視化的人機(jī)操作界面，操作者在觸摸屏上的操作即可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制。通過軟件編程使STM32內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生脈沖作為控制信號(hào)。通過改變控制信號(hào)的頻率、正負(fù)電平，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等，脈沖信號(hào)決定了步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及轉(zhuǎn)向。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要是以運(yùn)動(dòng)控制器和觸摸屏為核心，通過在觸摸屏上的操作完成對整個(gè)蠕動(dòng)泵的操作，系統(tǒng)硬件電路總體上可分為控制和驅(qū)動(dòng)兩大部分。控制部分主要完成控制信號(hào)的輸入、控制脈沖的輸出及狀態(tài)顯示；驅(qū)動(dòng)部分主要實(shí)現(xiàn)控制部分對步進(jìn)電機(jī)的控制。由圖1可知，系統(tǒng)硬件具體包括STM32F103芯片、THB6128驅(qū)動(dòng)模塊、觸摸屏、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)五部分，硬件電路外圍元件少、集成度高。

3.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路設(shè)計(jì)主要包括控制器的選擇及相關(guān)外圍電路的設(shè)計(jì)，既要保證輸入信號(hào)得到及時(shí)、準(zhǔn)確處理又要保證控制脈沖、液晶控制信號(hào)及時(shí)、準(zhǔn)確輸出。控制器選用高性能STM32芯片，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)本質(zhì)是將邏輯電平變換為電機(jī)繞組需要的具有一定功率的電流信號(hào)。本系統(tǒng)選用的THB6128是東芝公司生產(chǎn)的高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，其內(nèi)置1通道 P W M電流控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過撥碼開關(guān)SW3 對THB6128的M1、M2、M3引腳實(shí)現(xiàn)細(xì)分設(shè)定，由STM32輸出控制信號(hào)，設(shè)計(jì)出高性能、多細(xì)分的驅(qū)動(dòng)電路，適合驅(qū)動(dòng)57系列步進(jìn)電機(jī)。其硬件連接電路圖如圖 2所示。

圖2 硬件連接電路圖

4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用大彩公司生產(chǎn)的觸摸屏,其自帶的組態(tài)軟件簡單易學(xué)。系統(tǒng)中STM32控制器與觸摸屏之間采用串口協(xié)議進(jìn)行通訊，波特率為

9600，控制觸摸屏的接口界面如圖3所示。

圖3 觸摸屏界面圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)模塊化，系統(tǒng)軟件主要包括以下程序模塊：初始化模塊，調(diào)速模塊，觸摸屏顯示模塊。該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)軟的核心，程序編寫采用硬件定時(shí)器中斷和查詢相結(jié)合方法調(diào)用相關(guān)服務(wù)程序，控制脈沖輸出的中斷優(yōu)先級設(shè)置為最高，中斷服務(wù)程序代碼盡可能少。控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先執(zhí)行初始化程序，進(jìn)入主循環(huán)后，查詢指令隊(duì)列程序的結(jié)果，操作者在觸摸屏上的操作作為觸發(fā)條件會(huì)觸發(fā)主程序中的功能模塊，調(diào)用相關(guān)的子程序，從而完成各項(xiàng)功能。控制系統(tǒng)軟件主程序流程簡圖如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程簡圖

6 結(jié)束語

系統(tǒng)以觸摸屏輸入的方式?jīng)Q定步進(jìn)電機(jī)的開始、停止、正反轉(zhuǎn)，控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向。通過對THB6128進(jìn)行細(xì)分控制,采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，減少振蕩和噪聲。整個(gè)系統(tǒng)控制方法簡易切實(shí)可行，控制器結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、性能良好、成本低、具有很好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

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牛宗超（1980—），男，碩士研究生，講師，研究方向：電子技術(shù)。

2014年度院級課題項(xiàng)目“基于M051的流體輸送轉(zhuǎn)移計(jì)量器的研究”（課題編號(hào)：NHKY-2014-14）；2016年度江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目“涂料自動(dòng)涂布儀設(shè)計(jì)”（課題編號(hào)：PPZY2015B179）。