面向大學生科技競賽的步進電機控制創新教學實訓平臺設計

馮 濤，李 擎，崔家瑞，王常策，王 超，郭立晴

（1. 北京科技大學 自然科學基礎實驗中心，北京 100083；2. 北京科技大學 自動化學院，北京 100083）

步進電機是一種開環控制的機電執行元件，能夠將脈沖信號轉換成對應的角位移或直線位移，當所帶負載不超過其轉矩時，不需要反饋元件即可實現比較精確的位置定位，具有系統精簡、可靠性高、不產生積累誤差等優點，廣泛用于機器人、數控機床等工業自動化領域[1-7]。近幾年隨著我校多個工科專業通過工程教育專業認證，我校對學生綜合素質和解決復雜工程問題能力的培養力度逐年加大，學生課外科技創新活動蓬勃開展，學校每年積極組織學生參與大學生電子設計競賽、全國大學生機器人電視大賽（ROBOCON）、飛思卡爾智能車比賽等多項科技競賽，并廣泛號召學生參與大學生科研訓練項目（SRTP）[8-9]。在這些科技競賽和SRTP中經常會使用步進電機。但是，由于步進電機的授課知識點在自動化、測控等電氣專業并不是理論教學重點，也沒有安排相應的實驗教學學時，因此相關專業學生對步進電機的使用尤為陌生[10]。而步進電機的運轉控制與普通的直流電機極為不同，需要配備專用的步進電機驅動芯片或驅動器按特定時序對線圈進行精細的電流控制，才能夠有效地驅動步進電機實現平穩運轉，并減少運轉的振動和噪聲，實現步距角細分，提高位置控制精度。此外，根據步進電機的頻矩特性，其啟動、停止及運轉過程中速度的變化均需要對輸入的控制脈沖進行特定的頻率曲線規劃，否則容易引起步進電機的失步、過沖等現象。因此，要實現步進電機的精準控制，需要涉及電機與拖動、運動控制系統、嵌入式系統、自動控制原理等多門學科知識，對學生的實踐能力和綜合應用水平都提出了極高的要求，給學生對步進電機的使用設置了較高的門檻。從近幾年帶領學生參加各類科技競賽和SRTP的培訓和指導經驗上來看，非常需要一套針對步進電機控制的綜合性創新實訓平臺，使學生熟悉步進電機的控制原理和使用要點，更好、更快地完成比賽項目，并提高學生的實踐水平、創新能力和對專業的興趣與信心[11-16]。因此，本教學團隊結合自身優勢，融合多年的橫向項目經驗，將相關科技競賽中對步進電機的使用要求進行了詳細的拆分、梳理和整合，開發了一款步進電機控制創新教學實訓平臺。

1 步進電機在學生科技競賽活動中的應用

我校電子信息類學生參與的課外科技競賽活動主要有全國大學生電子設計競賽、ROBOCON以及其他各種創新創業比賽，其中大量涉及自動控制類的主題。以全國大學生電子設計競賽為例，經過對歷屆賽題的分析發現，它們有一個共同特點，都需要對被控對象進行角度、位置或者速度的閉環控制，比如要控制小車的平面移動、平板的水平角度、擺桿的垂直角度等，具體分析如表1所示。對于這些物理量的控制，常規做法是使用普通直流電機配合光電編碼器、電位器等反饋元件，運行比例積分微分（PID）控制等自動控制算法來實現閉環控制。但是，如果采用步進電機則具有更加明顯的實現優勢。由于步進電機的運轉步數與控制脈沖個數一一對應，旋轉速度與脈沖頻率成正比關系，因此，使用步進電機只需要產生特定頻率和個數的脈沖信號即可實現較為精確的位置與速度控制，不需要使用光電編碼器等反饋器件，也不需要調節PID控制參數，就能獲得明顯的控制效果。特別是在全國大學生電子設計競賽3天的緊張日程中，使用步進電機能夠簡化作品整體結構，節省PID控制的參數整定和效果調節時間，提高作品的穩定性和整體完成度，取得更好的比賽成績。

表1 近幾屆全國大學生電子設計競賽控制類題目分析

2 步進電機控制創新教學實訓平臺硬件設計

電子信息類的課外科技創新活動對步進電機控制創新教學實訓平臺的要求主要有：

（1）能夠對1或2路步進電機的旋轉速度和位置實現精準控制。

（2）具有I2C、SPI等常用總線的擴展接口，方便功能擴展，以連接外接電路，實現對旋轉角度、傾角角度、加速度、黑白線等物理量的檢測。

（3）具有一定的通信功能，能夠實現與上位機或其他模塊的通信。

（4）具有防電源反接、過流保護功能，防止學生錯誤操作導致電路損壞。

（5）體積小巧，方便直接應用在項目和作品中。

基于這些要求，本文設計的步進電機控制創新教學實訓平臺總體方案如圖1所示。平臺以高性能單片機 STM32F103為核心，集成有 EEPROM 存儲器、FLASH存儲器、按鍵輸入、AD采集/傳感器檢測功能，并向外提供了步進電機驅動接口，以方便外接步進電機驅動器，實現對步進電機的控制。平臺還預留了SPI、I2C、UART總線及液晶顯示接口，方便系統進行功能擴展。

圖1 步進電機控制創新教學實訓平臺功能框圖

2.1 電源電路設計

在本平臺中，單片機及其外圍芯片均使用 3.3 V供電，因此需要專用的穩壓電路將外部輸入的5～9 V電壓轉換成為3.3 V穩壓電源。選用低壓差線性穩壓器LM1117-3.3，電路如圖2所示。雖然線性穩壓器工作效率一般情況下比開關穩壓器低，但本平臺輸入輸出電壓差并不是特別大，使用線性穩壓器反而可以簡化電路結構，有利于提高系統可靠性。在電源入口處加入了防反接二極管，防止學生使用時將電源接反，損壞后面的電路。

圖2 電源電路原理圖

2.2 單片機系統電路設計

本平臺的主控制器選用的是ST公司的STM32F103C8T6單片機，集成了ARM公司的Cortex-M3內核，工作主頻為 72 MHz，具有較高的處理性能，是目前市面上的主流單片機。該單片機采用TQFP48封裝，體積較小，但是包含足夠的外設，包括定時器、UART、I2C總線、SPI、模擬數字轉換器（ADC），及數量豐富的I/O口，滿足平臺的功能需求。單片機系統電路如圖3所示。

2.3 步進電機驅動器接口電路設計

步進電機需要由專用的驅動電路來按照特定時序對其線圈進行斬波控制。為了簡化系統，本平臺采用了成品步進電機驅動器TB6600，具有完善的步距角細分、電流控制、過流過熱保護等功能，使用方便可靠。TB6600與步進電機控制器通過PUL、DIR、EN 3根線進行連接，這3根接口線內部由光電耦合器進行隔離，將單片機的輸出口通過開漏方式與 TB6600的對應接口相連，即可將脈沖、方向和使能信號輸出給TB6600，實現對步進電機的控制。單片機與 TB6600的連接電路如圖4所示。

2.4 平臺PCB設計

圖3 單片機系統原理圖

圖4 步進電機控制器與驅動器的連接

平臺上集成有按鍵檢測、AD轉換接口、RS232電路、外擴SPI及I2C總線接口、EEPROM儲存器和FLASH芯片電路等，并將多余的I/O口也都通過接插件引出到電路板外面，以方便系統擴展。PCB設計采用2層板，將各個電路模塊明確地標識出來，并且在關鍵信號線上都設計了測試點，方便學生觀察波形進行學習。最終設計出的 PCB電路板和搭建好的平臺整體如圖5所示。

圖5 平臺實物

3 步進電機控制創新教學實訓平臺軟件及教學內容設計

3.1 實訓內容整體安排

本教學平臺對各個單元模塊均開發了對應的示例程序及實訓內容，以幫助學生全面提升實踐能力和單片機應用水平。針對不同基礎的學生，將實訓內容按照基礎型和綜合型分層次安排，學生可在掌握基礎型實訓內容基礎上，再完成對應的綜合型實訓內容。具體實訓內容如圖6所示。

圖6 實訓內容分層次設計

針對每個單元模塊均提供原理講解、調試注意事項及示例代碼，并安排一些綜合設計任務幫助學生消化理解實訓內容。實訓項目及學時安排表2所示。

表2 實訓項目及學時安排

3.2 步進電機控制脈沖可控輸出

步進電機控制創新教學實訓平臺的核心功能是實現步進電機的控制。單片機只需給 TB6600提供相應的脈沖信號即可控制電機的運轉。脈沖的個數和頻率分別決定了步進電機的旋轉步數和速度。但是根據步進電機的特性，在步進電機啟停和速度改變時，需要按照一定的規劃曲線來控制脈沖的頻率。因此需要使用單片機程序實現脈沖個數和頻率的可控，并且要根據步進電機的頻矩特性和應用層算法的要求，靈活地控制脈沖信號的頻率變化。這樣的功能對學生的編程能力和單片機綜合應用水平提出了很高的要求，因此是實訓內容設計的重點。

為了實現上述的控制脈沖的可控輸出，將STM32單片機內部的兩個定時器進行級連，以硬件的方式來對脈沖輸出進行控制，結構如圖7所示。

圖7 定時器級連操作框圖

圖7 中，單片機的內部時鐘輸出給定時器1以實現特定頻率和占空比的脈沖輸出。同時該脈沖在內部輸入給定時器2，由定時器2對脈沖個數進行計數，并且設置定時器 2的相關寄存器，使得脈沖輸出的個數達到一定數量時觸發定時器2的中斷服務程序（ISR），在ISR中，由程序改變定時器1的相關寄存器，以改變后續輸出脈沖的頻率和個數。這樣只需要極少量的軟件干預就實現了脈沖個數和頻率的可控輸出。利用這樣的方法，輸出兩路脈沖數量受控、脈沖頻率按線性變化的波形如圖8所示。

圖8 脈沖可控輸出波形

本平臺在實訓過程中給學生提供詳細實現思路和編程方法，并給出C語言示例代碼，學生在深入理解其實現原理之后，只需要在ISR中加入自己所需要的控制代碼，就可以方便地在參賽作品中實現步進電機的精準控制，省去了賽前或賽中臨時調試的步驟，為學生提供了極大的便利。

4 步進電機創新教學實訓平臺應用現狀與效果

步進電機創新教學實訓平臺從2012年開始研發，經過幾次改進，于2016年正式投入使用，目前已經全面應用于全國大學生電子設計競賽、ROBOCON、SRTP以及其他創新活動的賽前培訓工作中。每年利用此平臺參加實訓的學生人數超過100人，實訓1 000余學時，參訓學生曾獲得第十屆國際大學生ICAN創新創業大賽2016年總決賽一等獎、全國大學生電子設計競賽二等獎等優異成績。平臺本身也獲得了第三屆高等學校自制實驗教學儀器評選三等獎的優異成績。在平臺研發過程中產生多項知識產權并申請了多項發明專利。

5 結語

本文針對大學生課外科技創新活動中對步進電機的使用要求，開發了一款適用于學生科技競賽賽前培訓的步進電機控制創新教學實訓平臺。平臺以高性能STM32系列單片機為控制核心，配備相應的外圍電路和驅動器，實現了對步進電機位置和速度的精準控制。同時給學生設計了詳細并且富有層次化的實訓內容。學生可以通過此平臺學習嵌入式開發和步進電機的控制原理，也可以直接將此平臺應用于參賽作品和創新項目實現中。實際應用表明，此平臺的研發和應用彌補了相關專業理論教學大綱中對步進電機教學知識點的盲點，有效提升了學生的實踐能力、專業素質和解決復雜工程問題的能力。