基于STM32的步进电机闭环控制系统设计.doc

基于STM32的步进电机闭环控制系统设计

内容摘要

步进电机因其控制简单、价格低廉、低速扭矩大、性能稳定等优点在工业运动控制上得到了非常广泛的应用，但是传统的开环步进电机精度较低、噪声高、震动幅度过大、易发热，而且在启动时容易失步或堵转，故传统的控制系统只能够在低速(1000RMP)下的应用场合进行应用。

首先本文分析了目前步进电机控制系统的国内外现状，对本次系统设计提出设计要求，并对设计要求进行控制系统的整体设计以及驱动选择，针对位置环闭环控制算法进行分析选择。

最后针对本文步进电机的闭环控制方向，进行硬件设计，STM32F030C8T6主控芯片以及外部巨磁编码器TLE5012B来实现步进电机的闭环控制功能。可根据负载调节电机的驱动电流有效的改善步进电机原本噪声高，易发热以及震动幅度过大的缺点。使用Kicad绘制原理图及电路板，使用STM32CubeMX配合Kile集成开发环境下采用C语言编程对此项目程序进行编写，调试，修改等。结尾对本文的相关工作进行了总结与展望。

关键词：步进电机；闭环控制；PID；细分控制

目录

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内容摘要 1

1绪论 3

1.1课题的背景及意义 3

1.2国内外发展现状 3

1.2.1国外步进电机控制系统发展现状 3

1.2.2我国步进电机控制系统发展现状 3

1.3本文的主要内容 4

2系统控制方案总体设计 4

2.1设计要求 4

2.2控制系统总体设计 5

2.3步进电机的驱动方式 6

2.3.1步进电机的驱动原理 6

2.4双H桥步进电机驱动电路 9

2.5步进电机的闭环控制算法研究 10

3控制系统硬件设计 12

3.1控制器件的选择 12

3.2各部分硬件电路设计 12

3.2.1单片外围引脚配置 12

3.2.2芯片电源供电电路 13

3.2.3驱动电路的设计 14

3.2.4检测电路设计 14

3.2.5外部输入电路设计 15

3.3PCB布线 15

4控制系统软件设计 16

4.1系统控制总体流程图 16

4.2 各模块的软件设计 17

5结论 18

1绪论

1.1课题的背景及意义

步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的控制单元REF_Ref8826\r\h[1]。随着工业的蓬勃发展、设备的自动化程度不断提高，运动控制系统在现今的工业应用上的比重也越来越高。步进电机因其价格低廉、运动精度高、构造简单、控制容易等优点，使其在工业自动化、医疗、化工、3D打印、机器人等领域都得到了广泛的应用。

虽然步进电机在工业上的应用越来越广泛，但是其自身的不足也限制了其在应用领域中的上限。首先步进电机存在着空载起动频率，电机开环控制时，若脉冲频率比这个值高的时候，电机就无法正常起动，可能会出现失步或堵转现象。其次，低频运行中，工作频率接近低频共振频率时，会使系统失去稳定性，甚至会导致失步。最后，系统中快速运行时响应能力和抗负载波动的能力较差。从应用的角度来看，这些问题表现在失步，振荡以及鲁棒性差等方面REF_Ref10926\r\h[2]。步进电机额定的转速基本在600-800RPM之间，当继续提高电机转速，电机内的线圈的反电动势就会饱和导致扭矩大幅度下降、堵转、失步。在低频开环运行中工作频率与低频共振频率接近时会导致系统失去稳定性。由此产生的后果就是控制系统精度的丢失、设备的损坏以及其他无法预测的事情发生。进而限制了步进电机的应用领域上限。所以研究一种闭环高精度，高速度的步进电机控制系统具有非常重要的使用意义。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外步进电机控制系统发展现状

国外从上世纪八十年代就已经开始研究步进电机运动控制系统。由于当时的步进电机的应用领域有限，大部分的控制系统都是基于伺服电机的，随着工业蓬勃发展，步进电机的应用领域越来越广泛，国外对步进电机的控制系统研究才开始深入。随着发展至今目前主流的步进电机控制系统分为几个大类:

（1）可编程控制器(PLC)控制:集成大量运动控制算法的工业控制平台，扩展性强。

（2）运动控制卡控制:专业的运动控制平台，可集成伺服系统。

（3）微处理器控制:使用微处理器加驱动电路进行运动控制，集成度较低。

1.2.2我国步进电机控制系统发展现状

国内对步进电机控制系统的研究开始时间几乎与国外相同，但是我国步进电机行业的发展很低迷，但随着我国工业的不断发展，对步进电机的需求越来越高，一大批的运动控制厂商和