基于STM32步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)研究

周建寅 謝超 姜婷婷

摘 要：隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)也越來越受到人們生產(chǎn)生活的青睞，其擁有強(qiáng)大的處理、控制的性能的同時還有著低功耗，體積小等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片作為主控芯片，外圍電路包括紅外接收模塊，電機(jī)驅(qū)動器;該系統(tǒng)的控制流程是通過紅外遙控模塊發(fā)送指令，STM32接收指令并向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送相應(yīng)的脈沖。驅(qū)動模塊通過細(xì)分等操作驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成所需的動作特性;程序在MDK環(huán)境下進(jìn)行編程，通過程序?qū)崿F(xiàn)不斷掃描紅外遙控是否發(fā)出指令，發(fā)出什么指令，從而根據(jù)掃描的結(jié)果使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相對應(yīng)的動作如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、加速等動作，再由測試軟件算法估算出電機(jī)的速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)運(yùn)動指標(biāo)均滿足要求。

關(guān)鍵詞：STM32;步進(jìn)電機(jī);正反轉(zhuǎn);加減速

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.35.116

STM32系列是由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）生產(chǎn)的嵌入式控制芯片;32系列包含多款芯片，本設(shè)計(jì)采用STM32F103RB芯片，其基于ARM代表性的內(nèi)核Cortex-M3，該內(nèi)核采用市場目前主流的ARMv7架構(gòu)和面向高級語言的Thumb-2指令集的同時擁有很多其他鮮明的優(yōu)勢如更強(qiáng)大性能、位帶操作等，并在代碼密集度、實(shí)際應(yīng)用、能耗 、售價等方面均衡的發(fā)展。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)換為線位移或者角位移的驅(qū)動裝置，同時也是脈沖單值對應(yīng)的增量元件，不同的步進(jìn)電機(jī)需要不同的驅(qū)動器去驅(qū)動它們的運(yùn)動，在實(shí)際控制系統(tǒng)中，當(dāng)控制器輸出脈沖信號先經(jīng)過驅(qū)動器，再由驅(qū)動器驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)按照特定的方向旋轉(zhuǎn)一定角度并且這個角度是固定的是電機(jī)的固有屬性被稱為“步距角”，步進(jìn)電機(jī)位移與驅(qū)動器輸入脈沖成正比，并與輸入脈沖同步，因此通過主控芯片來改變脈沖信號的頻率、占空比等，來具體的控制步進(jìn)電機(jī)獲得具體需要的運(yùn)行特征。

1 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案是以STM32F103RB為主要控制器，步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動器為驅(qū)動電路，遙控作為信號的輸入設(shè)備，STM32F103RB主板上紅外模塊接收到遙控發(fā)出的信號，并將接收到的信號轉(zhuǎn)變成脈沖信號和方向信號，為了控制步進(jìn)電機(jī)的速度大小和方向，再通過I/O口發(fā)出變換后的脈沖給匹配的驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的運(yùn)動，方案設(shè)計(jì)如圖1。

2 硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用開發(fā)板是STM32F103RB作為主控芯片和其他功能的外圍電路構(gòu)成，就性能而言，STM32F103RB是一個32位內(nèi)核，且擁有高達(dá)72MHz的時鐘頻率和接近80MIPS的指令速度。同時，32位硬件除法和單周期乘法器等體系增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力。而且STM3F103RB芯片集成了多種功能模塊，包括定時器、串行和通信接口等，可以滿足用戶的應(yīng)用環(huán)境。

根據(jù)總設(shè)計(jì)要求，步進(jìn)電機(jī)選用兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)（14HD3809D5）。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選型需要高度貼合所應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)，主要需要完成兩個匹配問題，電壓匹配，和電流匹配;本次設(shè)計(jì)采用ASD422R步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，該驅(qū)動器可以完全匹配所應(yīng)用的電機(jī)，還可以實(shí)現(xiàn)細(xì)分功能，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)更精確的控制。

為了避免電路間濾除噪聲和干擾，將輸入、輸出信號之間干擾的控制在不影響結(jié)果的范圍內(nèi)，硬件設(shè)計(jì)必須要考慮在CPU和驅(qū)動器之間添加了一個隔離電路對輸入/輸出信號進(jìn)行隔離，本次設(shè)計(jì)選用的是光電耦合器，它可以實(shí)現(xiàn)由電到光再到電的轉(zhuǎn)換，它在輸入/輸出電信號之間起到良好的隔離作用，大大減少了輸入回路和輸出回路之間的電氣干擾。本設(shè)計(jì)選用的光電耦合器為HCPL2631。

根據(jù)上面的方案設(shè)計(jì)和硬件選型，可以知道步進(jìn)電機(jī)的方向和脈沖信號需要控制，所以STM32F103RB開發(fā)板需要引出兩個引腳，在與電機(jī)驅(qū)動器連接中，通過光電隔離電路進(jìn)行對輸入、輸出信號進(jìn)行隔離，CPU工作可以用USB供電5V，然后通過主板轉(zhuǎn)化成3.3V對CPU進(jìn)行供電，外接24V電源給電機(jī)供電驅(qū)動，以及需要將脈沖、方向的公共端接5V，步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器按原理圖接口對應(yīng)連接，由以上條件可以畫出相應(yīng)的電路圖，如圖2所示。

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

3.1 軟件方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的總體思路是通過紅外遙控發(fā)送指令對電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)遠(yuǎn)程發(fā)出一個指令，單片機(jī)STM32通過外圍電路接收到該指令，判斷該指令所對應(yīng)的功能，在將對應(yīng)的功能轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的脈沖波形，再由驅(qū)動器對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，采用C語言編寫程序，按照需求設(shè)置了4個按鍵，分別是加速、減速、停止、正反轉(zhuǎn)4個功能，key1，key2，key3，key4分別對應(yīng)上述功能;圖3表示該過程流程圖。

程序初始化部分主要包括中斷初始化，I/O口初始化，延時函數(shù)初始化，定時器3初始化，步進(jìn)電機(jī)初始化和串口通信初始化，初始化部分主要目的完成軟件執(zhí)行前的準(zhǔn)備工作，當(dāng) NVIC中斷初始化時，中斷優(yōu)先級分組設(shè)置為2，通過中斷方式來控制具體實(shí)現(xiàn)的功能。

3.2 速度方向控制方法

設(shè)定的電機(jī)驅(qū)動細(xì)分為3200，電機(jī)的當(dāng)前的轉(zhuǎn)動速度為“頻率/細(xì)分”。電機(jī)無論在加速、減速、停止都是同樣的計(jì)算步數(shù)，若電機(jī)速度從10加速到100需要十步，CPU計(jì)算重裝載值表，會把電機(jī)動作的步數(shù)分解成由10加速到20，再從20加速到30，直至加速到100，然后啟動定時器，接著進(jìn)入中斷，判斷是否到達(dá)目標(biāo)速度，如果沒有的話，就不更新，沒有動作，如果是的話就更新重裝載值，發(fā)出動作。同樣減速、停止都是同樣的算法，而換向的分為兩個部分，先減速至零，然后在加速至指定速度，算法跟加速、減速、停止是一樣的，只是過程分成了兩個部分。

3.3 程序代碼

代碼使用KEIL MDK5軟件編寫各個模塊，其中主要功能簡單代碼如下：

int main（void）

{u8 key;

u16 printf_Clock;//打印時鐘

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）;//設(shè)置中斷優(yōu)先級分組2

delay_init（）;//延時函數(shù)初始化

RUN_LED_Init（）;//相關(guān)I/O口初始化

USART2_Init（115200）; //串口2初始化

TIM3_Init（1000，72-1）;/ /定時器3初始化

Step_Motor_01_Init（）;//步進(jìn)電機(jī)01初始化

RS485_Init（115200）; //RS485初始化

Remote_Init（）;//接收初始化

printf（"系統(tǒng)啟動完畢…"）;while（1）//紅外自檢模塊

{ListenDirProcess（）;

RS485_Receive_Process（）;//RS845接收程序進(jìn)程

delay_ms（5）;if（Remote_Rdy）

{key=Remote_Process（）;//接收按鍵值賦給key

printf（"key = %d"，key）;switch （key）

{case 194：// 加速

FastMotorFuc（）;break;

case 34：// 減速

SlowMotorFuc（）;break;

case 162：// 停止

StopMotorFuc（）;break;

case 226： //換向

DirMotorFuc（）;break;

Default;break;}}}}

4 結(jié)論

通過硬件調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)的目標(biāo)，通過STM32F103RB控制芯片對步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、加減速、啟停的控制，通過遙控發(fā)送信號，由STM32F103RB開發(fā)板上的紅外模塊接收信號，STM32F103RB控制器接收指令，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到的指令必須是通過光電隔離模塊之后的，最后再由驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。該設(shè)計(jì)證明了STM32具有非常強(qiáng)大的控制能力，可以實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展。不僅如此，其能耗相對較低，穩(wěn)定性卓越，具有很好實(shí)際使用價值。

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