基于STM32混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏雯娟 徐曉光 陸濤 馬平華

摘 要：混合式步進(jìn)電機(jī)是一種高精度的高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)，但電機(jī)參數(shù)的時(shí)變性會(huì)使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步。為此設(shè)計(jì)STM32處理器的混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)PID控制算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)形成閉環(huán)控制，本文闡述了μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在STM32上的移植及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：混合式步進(jìn)電機(jī)；STM32處理器；模糊自適應(yīng)PID控制；μC/OS-II

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是非線性、時(shí)變、滯后的控制對(duì)象，易受使用環(huán)境的干擾，因此在工業(yè)中的應(yīng)用也受到了限制。為了提高兩相混合步進(jìn)電機(jī)的控制性能，微處理器STM32F103ZET6芯片采用Cortex-M3核，結(jié)合μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在Cortex-M3內(nèi)核微處理器上的應(yīng)用，進(jìn)行嵌入式控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

核心處理器為STM32F103ZET6，由該芯片和它的外圍電路共同完成整個(gè)系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和顯示。

控制系統(tǒng)采用光電測(cè)速儀采集脈沖作為STM32控制器的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。它通過(guò)FSMC（靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）與核心控制器進(jìn)行通信。

本次設(shè)計(jì)選用的混合式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42HB48-174，驅(qū)動(dòng)芯片為YK2404MA，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電壓為24V，電源電壓選擇為12V，因此需要設(shè)計(jì)多個(gè)變壓電路以滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)和核心控制器的要求。

2 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

由模糊控制規(guī)則可以確定模糊關(guān)系R，然后選擇Mamdani型模糊邏輯推理系統(tǒng)，可以得出控制量的模糊集合U。經(jīng)過(guò)模糊推理后，需要對(duì)模糊控制器調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行清晰化處理，以獲得精確量，本次控制器中采用的清晰化方法是最大隸屬度法。

根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入公式計(jì)算。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分，分別是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。本次設(shè)計(jì)中的微處理器STM32選擇的系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為μC/OS-II，通過(guò)μC/OS-II在STM32上的移植來(lái)完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，而應(yīng)用軟件功能的實(shí)現(xiàn)是建立在此基礎(chǔ)之上。

系統(tǒng)軟件移植指的是一個(gè)操作系統(tǒng)可以在某個(gè)微處理器或者微控制器上運(yùn)行。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植要求移植者對(duì)被移植體系的四個(gè)重要部分有較深的了解：即目標(biāo)體系、操作系統(tǒng)及其原理、編譯器、所使用芯片這四部分。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植過(guò)程其實(shí)只需要修改與處理器部分相關(guān)的代碼即可，其它部分的現(xiàn)有代碼不需要做修改，與具體應(yīng)用相關(guān)的代碼在具體設(shè)計(jì)的時(shí)候在做相應(yīng)的修改。與此同時(shí)，處理器需要給操作系統(tǒng)預(yù)留一個(gè)專用的定時(shí)器，該特定的定時(shí)器用來(lái)產(chǎn)生定時(shí)器中斷。

（1） OS_CPU.H 文件

該文件包括了用戶#define語(yǔ)句定義的變量，以增加代碼的可移植性，由于不同的處理器其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行重新定義。

（2） OS_CPU_C.C文件

OS_CPU_C.C文件包含一個(gè)必要的OSTaskStkInit（）函數(shù)和9個(gè)空函數(shù)的聲明，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，需要通過(guò)調(diào)用OSTaskStkInit（）函數(shù)，調(diào)用該函數(shù)的目的是建立堆棧的結(jié)構(gòu)，同時(shí)給堆棧賦上新的初始值，并且寄存器中的值都保存在新建立的堆棧中，方便在接下來(lái)的操作中對(duì)其進(jìn)行任務(wù)切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6作為核心控制芯片，主要完成步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，為了提高控制精度，采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法，減少環(huán)境因素對(duì)電機(jī)的影響。選用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，并進(jìn)行軟件系統(tǒng)移植和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。本文的創(chuàng)新之處是使用了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的微處理器并且在該處理器上進(jìn)行算法的應(yīng)用，但是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行尚需完善。

【基金項(xiàng)目：安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：KJ2014A024】

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