基于STM32F4的電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、PAGE PAGE 5基于STM32F4的電機控制系統(tǒng)設(shè)計李傳明 崔更申 尹鵬 黃廷輝 凌鳴（桂林電子科技大學 計算機科學與工程學院 廣西 桂林 541004）摘要：為改善步進電機堵轉(zhuǎn)、失步、超步等問題，提高步進精度，使步進電機能夠快速準確定位，提出基于STM32F4微控制器的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計。通過改變PWM輸出定時器的預(yù)分頻值控制電機轉(zhuǎn)速，直線階梯形升降速算法實現(xiàn)調(diào)速；采用DMA方式控制電機脈沖數(shù)量，實現(xiàn)位置精確控制。實驗以及實際應(yīng)用情況表明，階梯形升降速算法以及DMA方式位置控制算法能夠滿足一般要求，系統(tǒng)誤差為0.01度。系統(tǒng)精確度高、性能可靠、擴展性強，具有較高的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：S

2、TM32F4、電機控制、PWM、DMA中圖分類號：TP273 文獻標識碼：ADesign of motor control system based on STM32F4Li Chuanming, Cui Gengshen, Yin Peng, Huang Tinghui, Ling Ming (Guilin University of Electronic Technology School of computer science and engineering Guilin 541004)Abstract: To improve the stepper motor stall, out o

3、f step, over step and other issues, increase step accuracy, and made it be located quickly and accurately, proposed a stepping motor control system based on the STM32F4 microcontroller design. To control the motor speed can change the prescaler of timer which generated PWM, straight line stepped acc

4、eleration and deceleration algorithm speed; Using DMA mode control motor pulse number, to achieve precise position control. Experiments and practical application shows, stepped trapezoidal landing speed algorithms and DMA mode position control algorithm can meet the general requirements, the system

5、error is under 0.01 degrees. High precision, reliable performance, and expandability made it has a higher value.Keywords: STM32F4, motor control, PWM, DMA0 引言科學技術(shù)與日俱新，自動化程度也不斷提高，作為機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一的步進電機應(yīng)用越來越廣泛，對步進電機驅(qū)動控制的研究也越來越多，提高步進電機的定位精度與定位速度逐漸成為研究的重點。電機能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成動能，步進電機能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移。每接收到一個脈沖轉(zhuǎn)軸步進一

6、個步距角增量，步進電機是根據(jù)接受到的脈沖信息達到受控制的目的。在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快,轉(zhuǎn)子由于慣性而跟不上電信號的變化,產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步；由于同樣原因在停止或減速時則可能產(chǎn)生超步1。為防止堵轉(zhuǎn)，失步和超步,必須對步進電機進行升降速控制；為實現(xiàn)準確定位，必須對驅(qū)動電機的PWM脈沖數(shù)量進行控制。1 控制系統(tǒng)總體方案基金項目：國家自然科學基金資助項目（61063040）；廣西可信軟件重點實驗室（桂林電子科技大學）開放課題資助項目作者簡介：李傳明（1989-），男，山東濰坊人，碩士，研究方向為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用；崔更申（1970-），男，湖北天門人，副教授，研究方向為嵌入式及應(yīng)用；首先需要抱

7、閘解鎖，然后通過按鍵或者網(wǎng)絡(luò)遠程輸入目標角度值，STM32F4微控制器輸出控制脈沖序列（PWM）、方向以及使能信號，經(jīng)過光電隔離電路的隔離后，采用分立元件構(gòu)成功率MOSFET管驅(qū)動電路，輸入到細分驅(qū)動器進一步細分后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。角度傳感器實時監(jiān)測電機轉(zhuǎn)動角度并通過CAN總線實時返回到MCU，接收到當前角度值后通過RS232傳遞到LCD顯示模塊實時顯示。同時將當前角度值與目標角度對比，閉環(huán)反饋方式二次細定位，達到更準確定位。STM32F4微控制器通過控制繼電器模塊從而實現(xiàn)抱閘的控制與狀態(tài)監(jiān)測，以機械方式實現(xiàn)電機停止時抱閘鎖定。除現(xiàn)場控制以外，還可以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)對電機工作方式的遠程調(diào)整與控制，根

8、據(jù)實際項目需求，現(xiàn)場調(diào)試最優(yōu)，遠程控制次之，現(xiàn)場運行第三的優(yōu)先級順序?？刂葡到y(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示：圖1 控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖2 電機控制原理步進電機的運動狀態(tài)受控于驅(qū)動信號PWM脈沖，每接收到一個PWM脈沖，步進電機運動一個步距角。PWM脈沖頻率控制步進電機運動的速度，PWM脈沖個數(shù)控制步進電機運動的位移2。通過改變PWM輸出定時器的預(yù)分頻值，改變脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，采用梯形升降速算法實現(xiàn)升降速；通過DMA方式控制電機脈沖數(shù)量，實現(xiàn)位置精確定位。2.1速度控制及升降速算法根據(jù)公式：PWM_f=f(M+1)(T+1)3，可知PWM頻率PWM_f由時鐘頻率f、預(yù)分頻值M、計數(shù)周

9、期T三個因素決定。其中時鐘頻率f是STM32F4時鐘頻率168MHz固定不變，只能通過定時器中斷改變預(yù)分頻值M或計數(shù)周期T，來實現(xiàn)PWM脈沖頻率的調(diào)整。系統(tǒng)實現(xiàn)高、中、低三種速度控制方案，三種速度適合不同的應(yīng)用場景，也可以根據(jù)需求三種速度疊加使用。在加減速過程中,采用直線階梯規(guī)律是加速度保持一個恒定值a1不變，速度以線性規(guī)律上升，電機的減速曲線與其加速曲線對稱，二者成鏡像關(guān)系。高、中、低三種速度可以通過按鍵輸入選擇，也可以通過按鍵或遠程網(wǎng)絡(luò)指定A1,A2的閾值，實現(xiàn)自動定速，電機在細分情況術(shù)下最高可實現(xiàn)5KHz的PWM脈沖控制。當目標角度小于指定的閾值A(chǔ)1時電機低速，以啟動速度fst轉(zhuǎn)動到指定

10、位置；當目標角度超過指定的閾值A(chǔ)1且小于閾值A(chǔ)2時，使用中速，即從基準速度fst啟動后，以加速度a1加速運動，當速度達到指定的速度fsd時,開始勻速轉(zhuǎn)動，減速時以加速度-a1減速運動到指定的速度fst后勻速運動或停止。當目標角度角度大于閾值A(chǔ)2時，啟動高速，即從基準速度fst啟動后，以加速度2a1加速運動，當速度達到指定的速度fh時,開始勻速轉(zhuǎn)動，減速時以加速度-2a1減速運動到指定的速度fst后勻速運動或停止。低頻階段的頻率時間函數(shù)表達式為：fstt=0.533 0tt3 （1）中頻階段的函數(shù)表達式為:fsdt=a1*t+0.533 0tt11.533 t1tt21.533-a1*t t2t

11、t3 = 2 * GB2 高頻階段的函數(shù)表達式為：fht=2a1*t+0.533 0tt15 t1tt25-2a1*t t2tA2時啟動高速，A2A1時啟動中速，A1時啟動低速。根據(jù)實際需求，變速定時器每2ms產(chǎn)生一次定時器中斷，中斷處理函數(shù)中改變預(yù)分頻值。中速加速時預(yù)分頻值從標準值每次中斷遞減1，高速時預(yù)分頻值每次中斷遞減2，直至達到預(yù)定的速度則除能變速定時器；減速過程與加速過程成鏡像關(guān)系。圖5 系統(tǒng)速度控制模塊流程圖由于加速與減速的鏡像關(guān)系，故加速所運動的脈沖數(shù)與減速所運動的脈沖數(shù)相等，整個過程中高速運轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)dHighPlus=dPlusCount（總脈沖數(shù)）-2* dIncPlus（

12、加速過程中的脈沖數(shù)），則當電機運轉(zhuǎn)dHighPlus+dIncPlus個脈沖時，啟動減速。Timer每輸出一個脈沖，DMA向Timer使能寄存器傳送一次使能信使號，當發(fā)送完dPlusCount數(shù)量的脈沖后產(chǎn)生DMA中斷。中斷處理中DMA向Timer使能寄存器發(fā)送失能信號，除能脈沖定時器，從而停止PWM脈沖，整個過程中的脈沖數(shù)量由DMA控制。停止后，通過編碼器反饋的當前實際位置與目標位置對比，角度差=0.01時，角度差達到誤差要求范圍內(nèi)，電機停止轉(zhuǎn)動，抱閘鎖定。若不在誤差范圍內(nèi)則繼續(xù)運轉(zhuǎn)以不斷趨近目標位置，通過位置反饋二次細定位，達到更準確定位。對比定時器的初值數(shù)據(jù)表變速方法5，此種階梯型變速方

13、式，電機速度靈活可控，操作簡單，有效避免了電機堵轉(zhuǎn)、失步、超步等問題。對比中斷計數(shù)模式以及之前采用的單脈沖主從定時器計數(shù)模式，計數(shù)定位準確，誤差無積累，避免了中斷計數(shù)過程中CPU不斷產(chǎn)生中斷處理中斷的不足，提高了CPU效率，降低了系統(tǒng)的功耗。4 實驗結(jié)果與誤差分析驅(qū)動器選取德國MOTEC SD3228步進驅(qū)動器，細分值為800，配合采用高性能磁性材料的高品質(zhì)ISM3步進電機，現(xiàn)場調(diào)試模式下從0轉(zhuǎn)到360度，選用高中低三種速度檔，采用二次定位的方式，對本設(shè)計系統(tǒng)進行大量實際操作驗證，下表1給出了部分實驗的數(shù)據(jù)。表1 系統(tǒng)實驗結(jié)果與誤差當前角度（度）目標角度（度）角度差（度）實測角度（度）速度檔誤

14、差值（度）系統(tǒng)用時（s）1.203.572.373.56低速0.010.7230.2625.85-4.4125.87低速-0.015.235.8387.6181.7885.60中速0.013.29300.15133.97-166.18133.96中速0.015.2686.97188.43101.46188.43高速0.003.69109.47256.02146.55256.00高速0.025.1858.62351.28192.66351.29高速-0.017.74從表中數(shù)據(jù)可以看出，不同的速度控制檔系統(tǒng)誤差可以滿足速度以及位置控制的一般應(yīng)用要求，系統(tǒng)用時比較短。但是還有大量的提升空間，速度可以

15、根據(jù)實際情況分更多的速度檔，尋求更好的加減速控制模型等。5 結(jié)束語實驗以及實際應(yīng)用情況表明，STM32F4微控制器的步進電機速度控制與位置調(diào)整可行有效，階梯形升降速算法以及DMA方式位置控制算法能夠滿足一般要求。綜上所述,需要繼續(xù)在步進電機的速度控制技術(shù)方面繼續(xù)研究，找到更好的加減速控制模型，尋找更優(yōu)的位置控制算法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和控制設(shè)計應(yīng)用可受理性6，充分發(fā)揮步進電機的工作性能，是以后研究的重點。參考文獻：劉寶志. 步進電機的精確控制方法研究D.山東大學,2010.謝啟河. 基于Cortex-M4和二維細分技術(shù)的高精度定位控制系統(tǒng)J. 計算機測量與控制,2013,10:2692-2693+2703.劉慧英,范寶山. 基于STM32的多步進電機控制系統(tǒng)研究J. 測控技術(shù),2010,06:54-57.意法半導體.電子產(chǎn)品手冊EB/0L. STM32F405xx/07xx advanced ARM-based 32-bit MCUs.周艷秋. 步進電機定位控制技術(shù)的研究D.大連交通大學,2009.Lyshevski, Sergey Edward