| 北方工业大学信息工程学院 北京 100144 许昌技术经济学校 许昌 461500 文章摘要】 在分析STM32 产生PWM 脉冲 控制步进电机原理的前提下，提出 了一种通过程序按照设定要求不断 地自动改变STM32 中TIM 预分频值 的方法，实现多步进电机同步协调 工作。通过理论分析和验证，证明该 系统能够满足所要求的性能指标。 【关键词】 步进电机；STM32 ；精度控制 0 引言 步进电机在自动化控制领域内是一 种被广泛使用的重要元器件，如雕刻机 伺服系统、汽车微控制系统等。 雕刻机自动控制系统包括雕刻机的 主控系统、主轴控制系统、数字控制装 置、进给控制装置组合而成。以STM32 为主控芯片的控制系统的计算程序由计 算机和雕刻软件组成，用户通过PC 机 上相应的相应的软件，按照预先设计好 的图样以及所用刀具自行计算出相关刀 具的具体位置即“刀位点”，以此为基准 将进行程序的编写。程序编写时可以依 据处理器的资源占用具体情况行，可以 给主控系统更大的计算量，达到减减轻 上位机进行译码、补刀处理、速度预处 理、插补运算，获得包含X-Y-Z 三个方 向配合运动需要控制字节的数据，即为 雕刻数据，然后将控制字节逐个向打印 口输出，数字控制装置通过把程序中读 出的雕刻数据经过自行运算后转化为各 相关坐标轴的实际运动分量，并同时发 送连续脉冲给步进电机，这样与打印口 相连的X-Y-Z 三个方向的步进电机就 分别可以得到动作信号，从而在驱动电 路的带动下各自的执行相应的动作，以 控制各个轴的运动，最终完成雕刻。如何 实现步进电机的同步协调工作，将是保 证雕刻机工作的关键。 1 系统总体设计 步进电机与其他控制型电机的最大 区别在于：步进电机是根据接受到的脉 冲信息达到受控制的目的，也就是步进 电机的总转动角度根据接受到的脉冲 数，但是步进电机的转动速度则决定于 接受到的脉冲信号频率。怎样达到对步 进电机完美控制是解决雕刻能否完成以 及雕刻精度的关键。在利用PWM 脉冲 信号实现对步进电机控制的基础上，创 设了一种新的控制方案，以防止步进电 机在启动加速过程中和电机猛然加速运 行时出现的不同步现象的出现，同时保 证电机在减速过程中的准确度，系统总 体设计方案如图1 所示。 步进电机在工作过程中，接受来自 PC 机的指令，通过STM32 主控板将指 令转换成控制信号，再经芯片PLC6045 驱动步进电机，最终实现步进电机的高 精度控制。 1.1 系统硬件设计 1.1.1 主控芯片 系统采用STM32F103ZET6 作为 主控芯片，该芯片是一款以ARM 公司 的CortexM3 为内核的处理器。其特点包 括： （1）该处理器的性价比很高，所支 持的外部设很丰富，既有高达72M 的频 率, 同时在内部设计上数据、指令各自 走不同的线路, 确保 CPU 运行速度的 最大化，如此高的运行速度才能够使得 数控雕刻机系统的实时性要求得到满 足； （2）片内FLASH（相当于硬盘）的存 储量为512K , 片内FLASH 支持在线编 程(IAP)、片内RAM（相当于内存）的存 储量为64K ； （3）内部集成了6 路的串口、一个 CAN 接口以及3 组共18 路的12 位 ADC，同时可兼容SRAM,NOR 和NAND Flash 接口的16 位总线-FSMC，使得 RAM 和FIash 对外扩展方面很容易，更 加提升了处理器的运算能力。在控制雕 刻机工作的同时，其自身要接收到大量 来自PC 机的数据，这时外扩的SRAM 正好用来存储这些数据； （4）处理器上面虽然自带了DAC， 但其在精度和速度的处理上都不符合数 控雕刻机的需求，所以在实际中外接了 一片4 通道16 位的DAC，依托SPI 总 线与处理器相接； （5）多达7 个TIM 可以产生最多28 个精准的PWM 信号，更利于对步进电 机的控制。 1.1.2 电机驱动电路 驱动电路采用L6208 驱动芯片，该 芯片提供了带CMOS/TTL 输入逻辑、带 保护功能的全保护型双H 驱动桥以及 为驱动双极步进电机而“量身打造”的集 成驱动器，使得电机控制所需的器件数 大为减少。此芯片采用的是8V~52V 的 单电源电压供电，在每个输入引脚都设 计有磁滞功能用来降低噪声敏感度，并 且兼容TTL/CMOS/CMOS 三类电平。同 时芯片还内置了过流检测电路（OCD）目 的是保护对地短路以及每个电桥的两个 相位之间的短路。通过OCD 电路监测流 经上桥臂功率DMOS 晶体管的电流，这 种设计省去了外部电阻器，相应地电路 的功耗也就降低了，符合节能要求。此 外，为保证对IC 实现的全方位的保护， 一些特殊的也都直接在芯片上，包括： 用来监测电源电压的低压封锁保护、热 保护功能（结温若超过165℃时则关闭 所有功率输出）。 L6208 驱动芯片管脚连接表 1.2 系统软件设计 要实现对PWM 脉冲频率的控制， 就要先明确它的决定因素。我们已知其 决定因素包括 ：（f 时钟频率）、M（预分 频值）、T（计数周期）。其中f 和T 通是 常不变的, 这样我们只有通过改变M 来 实现输出脉冲频率的调整。 首先把其中一台电机作为基准, 结 合实际需求给电机依次设定6 个M 值 来完成运动过程, 其值为,σ =1, 2, …, 6。根据公式 进而计算出与各M 值相对应的 电机步速,σ= 1, 2, …, 6。针对 不同的步速运行时所走的步数设为 ,β= 8, 8, 2, 12, 12, 12。进一 步可得出电机各次调整后运行时间 ,σ = 1, 2, …, 6 那么第2 台步进电机针对不同的步 速运行时所走的步数设为, β= 8, 8, 2, 12, 12, 12。则由 可得 在实际设计程序时, 经过以上的分 析通过先设定再计算、、就能 达到对步进电机的同步控制的目的。依 照此类方法也可以实现对多台步进电机 的同步控制。 假设系统要控制两台电机。根据要 求步进电机所控制的设备必须从初始位 置开始运行。鉴于出现了不明原因的突 发问题，电机的实际位置与初始位置会 有一定偏差。这时就要求软件系统中有 回零功能，来保证步进电机能够拖动设 备回到初始位置。在主程序完成初始化 后，通过硬件中断来触发回零程序。紧接 着根据串口中断的方式不断接收上位机 指令，在中断服务程序中把指令中的距 离信息L1、L2 计算后转化为电机运行 步数N1、N2 ，然后再按照设计好的程 序，求出、、，σ= 1，2，…，6， 把、分别赋值给两个TIM 并使 能，使之产生两个同时延时PWM 信号， 直接用来控制电机的速度。 令: ，电机运行时间 后，实时读取相关位置信息通过计算并 转化为步进电机运行步数，结合控制指 令的步数，采取偏差控制的方法。若偏差 ΔL1、ΔL2 超出规定值，那么程序就会 把ΔL1、ΔL2 分别赋值给L1、L2 ，接 下来循环执行上述程序，直至偏差达到 允许值。实现目标的位置移动之后，返回 信息给上位机，上位机就会把接下来的 目标位置以及距离信息发到STM32 主 控板，如此循环下去直到完成总目标位 置移动。系统程序流程控制图如图2 所 示。 2 结束语 综上所述：根据步进电机工作特点 和PWM 信号产生的原理（由STM32 产 生），通过改变PWM 信号的频率实现对 各步进电机的控制，使其能够在启动、加 速、高速、减速及制动的各种工况下同步 工作，满足了实际工作精度的需求。将该 系统应用到雕刻机上， 通过实测，很好 地保证了系统的要求。 【参考文献】 [1] 张建民．机电一体化系统设计 ( 第二版)[M]. 北京：高等教育出 版社，2006. [2] 李宁. 基于MDK 的STM32 处理 器开发应用[M]. 北京: 北京航空 航天大学出版社，2008. [3] 王永虹，徐炜，郝立平. STM32 系列ARM Cortex2M3 微控制器原 理与实践[M]. 北京: 北京航空航 天大学出版社，2008. [4] 库少平，刘晶. 基于STM32F10x 和MDK 的步进电机控制系统设计 [J]. 武汉理工大学学报，2009. [5] 刘春斌，马殿光．基于DSP 的数 控雕刻机控制系统的设计与实现 [J]. 组合机床与自动化加工技术， 2002(10) ：44—47. |
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