基于STM32的步進電機控制器設計

熊遠生，劉春元，蔡偉忠

（嘉興學院 機電工程學院，嘉興 314001）

0 引言

步進電機轉動的角度和輸入驅動脈沖的個數成正比，其轉動速率可以通過驅動脈沖的頻率來控制，有較高的定位精度，無位置累積誤差及特有的開環運行機制，與閉環控制系統相比，可減少系統成本，并提高了可靠性，具有較高的控制精度；因此，在精度要求不高的運動控制系統中，在工業領域得到了大量應用[1,2]。

為進一步提高控制精度，在實際應用中廣泛應用步進電機細分驅動器，細分驅動器一般提供三個輸入接口信號，ENA信號為脫機信號（低電平有效），當此輸入控制端為低時，電機勵磁電流被關斷，電機處于脫機自由狀態，此信號在大多數應用時一般懸空，DIR信號方向電平信號輸入端，高低電平控制電機正/反轉，PUL步進脈沖信號輸入，每個信號提供兩個輸入端，內部用光耦實現隔離。

在工業控制中，有很多應用場合需要在上位機控制多個步進電機同時工作，如在水位傳感器的初始螺栓位置調整中，為提高工作效率，希望10個步進電機在上位機控制下帶動10個傳感器同時進行位置調整。但是上位機一般不能直接連接細分驅動器，通常采用PLC的普通輸出端口連接細分驅動器的DIR信號，PLC的脈沖輸出端口連接細分驅動器的PUL信號，PLC與上位機之間通過RS485連接。但PLC價格相對較貴，編程靈活性不高。

本文針對在控制中需要控制多個步進電機的需求，設計了一種基于STM32的步進電機控制器，采用RS485與上位機相連，STM32輸出端口經過放大后連接細分驅動器的DIR信號和PUL信號，將FreeModbus協議移植到STM32上，使用Modbus協議和上位機通信，接收DIR信號、PUL信號和設置參數等信息，通過軟件實現輸出脈沖頻率可調、已輸出脈沖個數可查詢、輸出脈沖可終止等功能。

1 總體方案設計

在需要上位機對多個步進電機控制的場合，系統應用方案如圖1所示，上位機通過USB轉485和N個步進電機控制器進行485組網，上位機使用Modbus協議和N個步進電機控制器進行通信，步進電機控制器在收到方向和轉動步數等信息后，將方向信號以高低電平的形式發送給相應的細分驅動器，將轉動步數以脈沖個數的形式發送給相應的細分驅動器，細分驅動器在方向信號和脈沖信號的控制下，帶動相應的步進電機轉動。

圖1 系統應用方案圖

2 系統硬件設計

基于STM32的步進電機控制器硬件框圖如圖2所示。系統由24V供電，經過降壓處理后提供5V和3.3V直流電，上位機通過USB轉485接口后與步進電機控制器的RS485接口連接，STM32的IO口經過驅動后，通過輸出接口連接細分驅動器的ENA、DIR和PUL接口，撥碼開關輸入用于設置步進電機控制器地址。

圖2 基于STM32的步進電機控制器硬件框圖

系統電源電路如圖3所示，該電路主要是由78M05和LM1117兩個三端穩壓器構成。24V的直流電壓經過78M05穩壓器降壓變成5V，其中D1是整流二極管，R1、R2和R3起分壓散熱的作用，5V電壓再經過LM1117-3.3穩壓器降成3.3V。

圖3 電源電路

CPU電路如圖4所示，采用STM32F030F4P6芯片作為主控芯片，以RC電路作為上電復位電路，時鐘電路采用8MHz晶振，引出SW接口作為調試借口，對CPU的BOOT0引腳采用跳線的方法，根據需要可接高電平或低電平，采用一個發光二極管LED1對3.3V電源進行指示。

485接口電路如圖5所示，采用SP3485實現串口到485的轉換，采用STM32F030F4P6芯片PA0腳控制傳輸方向，R22和R20分別起到上拉電阻和下拉電阻的作用，R21做為終端匹配電阻，只是在網絡的首末端才焊接。F1和F2為自恢復保險絲，和T1、T2一起對電路起保護作用。

輸出接口電路如圖6所示，采用三極管來驅動步進電機驅動器的輸入光耦，STM32F030F4P6芯片的I/O口通過控制三極管的基極實現對步進電機驅動器的輸入光耦的通斷控制，將電平信號和脈沖信號傳送給步進電機驅動器。

圖4 CPU電路

圖5 485接口電路

圖6 輸出接口電路

撥碼開關電路如圖7所示，采用上拉電阻的方法，當撥碼開關OFF時，程序中對相應輸入復位，撥碼開關ON時，程序中對相應輸入置位。1～5位撥碼開關用于地址輸入，分別對應1～32，當1～5位撥碼開關全OFF時，對應地址為32，其余地址直接對應其輸入二進制的組合。

圖7 撥碼開關電路

3 系統軟件設計與實現

FreeModbus是一個針對嵌入式應用的通用Modbus協議。Modbus通信協議棧包括兩層：Modbus應用層和網絡層。FreeModbus提供了RTU/ASCII傳輸模式及TCP協議支持[3,4]。

移植FreeModbus協議時對硬件的需求包括，具有一個支持接收緩沖區滿中斷和發送緩存區空中斷的異步串行接口、有一些能夠容納Modbus數據幀的RAM空間和一個定時器。

中斷控制配置，在FreeModbus的標準移植接口文件port.h中，設置兩個臨界保護函數的宏定義，實現全局中斷的打開和關閉。相關程序如下：

#define ENTER_CRITICAL_SECTION( ) __disable_irq();

#de fi ne EXIT_CRITICAL_SECTION( ) __enable_irq();

在物理層，用戶只需完成串行口及超時定時器的配置即可。具體應修改接口文件portserial.c和porttimer.c。

1）eMBErrorCode eMBInit()完成物理層的初始化。主要包括：BOOL xMBPortSerialInit()串口初始化，設定I/O口功能、波特率、數據位數、校驗方式；BOOL xMBPortTimersInit定時器初始化，設定定時器，設定t3.5定時需要的定時常數；

2）eMBErrorCode eMBEnable()使能協議棧。

3）void vMBPortTimersDisable()關閉超時定時器，在此函數中清零定時器計數值，關閉定時器中斷；

4）BOOL xMBPortSerialPutByte()發送一字節數據，需要先使能485芯片的發送信號，調用USART_SendData()完成數據發送后，適當延時后使能485芯片的接收信號；BOOL xMBPortSerialGetByte()接收一字節數據，調用USART_ReceiveData()完成數據接收；

5）void UART1_IRQ()通過調用USART_GetITStatus()實現對發送和接收狀態的判斷，進行相應的處理。

應用層配置，在執行eMBEnable()使能協議棧后，不斷循環調用eMBErrorCode eMBPoll()檢測事件，通過四個接口函數eMBRegInputCB()，eMBRegHoldingCB()，eMBRegCoilsCB()和eMBRegDiscreteCB()實現對離散輸入、輸出線圈、輸入寄存器和保持寄存器的讀寫操作。

步進電機控制器的功能處理主要用eMBRegHold ingCB()完成，eMBRegHoldingCB()對應06功能嗎時用來處理設置輸出脈沖頻率、輸出脈沖個數、輸出脈沖方向和輸出脈沖終止，eMBRegHoldingCB()對應03功能嗎時用來處理查詢輸出脈沖頻率、已輸出脈沖個數、輸出脈沖方向、輸出脈沖終止標志，地址分別對應40001到40004。

完成軟硬件設計后，搭建的實驗系統如圖8所示，上位機采用USB轉485和兩臺步進電機控制器組網，上位機上運行Modbus Poll軟件，設置相應參數后，步進電機能按期望的頻率，方向和脈沖個數工作。

4 結束語

圖8 步進電機控制器實驗系統

本文設計了一種基于STM32的步進電機控制器，將FreeModbus協議移植到STM32上，實現了通過Modbus對多臺步進電機的控制，實驗結果表明，設計的步進電機控制器是可行的。