stm32的步进电机控制器设计【字数：16069】
摘 要本文完成了一种多细分三轴57型号步进电机控制系统的设计。系统以STM32微处理器为控制器，步进电机为控制对象，实现了根据电位器旋钮、按键以及4.5寸触摸屏等输入信息，改变步进电机的运行状态，如转动方向、转动速率。并且通过LCD、LED显示电机运行状态。系统在Keil μVision5开发环境中进行程序设计，在Altium Designer中设计控制电路原理图以及制作PCB板。实验结果表明该系统具有操作简单、人机界面友好、工作稳定、精度高等特点。
目 录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2国内外的研究现状 1
1.3论文的主要工作和内容安排 2
1.3.1主要工作 2
1.3.2内容安排 2
2.系统总体方案设计 3
2.1需求分析 3
2.2硬件总体方案设计 3
2.3软件总体方案设计 4
3.控制系统硬件设计 6
3.1步进电机简介 6
3.2 步进电机驱动器简介 6
3.3 PWM细分技术简介 6
3.4 硬件选型 7
3.4.1 STM32微控制器选型 7
3.4.2 步进电机驱动器选型 7
3.4.3 步进电机选型 9
3.4.4 屏幕选型 10
3.5模块电路设计 11
3.5.1 电源电路 11
3.5.2 晶振模块 12
3.5.3 复位电路 12
3.5.4 启动电路 13
3.5.5 下载电路 14
3.5.6 驱动接口模块 14
3.5.7 按键模块 15
3.5.8 LCD触摸屏模块. 16
3.5.9 ADC调速模块 17
3.5.10 LED指示模块 18
3.6系统接线及端口分配 18
4.控制系统软件设计 20
4.1编程环境与编程思路 20
4.2外设简介 22
4.2.1 GPIO简介 22
4.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2 定时器简介 22
4.2.3 ADC简介 24
4.2.4 NVIC简介 24
4.3主程序设计 24
4.4各模块程序设计 25
4.4.1 步进电机定时器中断 25
4.4.2 ADC采样中断 27
4.4.3 按键中断 28
4.4.4 触摸屏输入中断 29
5.控制系统调试与结果 33
5.1硬件调试方法 33
5.2软件调试方法 33
5.3调试效果及结论 34
5.3.1 开机显示内容 34
5.3.2 按键操作效果 34
5.3.3 旋钮调速效果 35
5.3.4 PWM输出验证 37
5.3.5 触摸屏效果 38
6.总结与展望 41
6.1本文总结 41
6.2工作展望 41
6.3对环境及社会可持续发展的影响 42
参考文献 43
附录 44
附录一.端口分配表 44
附录二.硬件原理图 46
附录三.硬件PCB 47
附录四.系统实物图 50
附录五.系统程序 51
致谢 60
1.绪论
1.1课题的研究背景及意义
步进电机作为执行器，是许多行业实现机电一体化的关键产品之一。步进电机具有体积小、性价比高的特点，并且其组成的开环系统既简单、廉价，又十分可靠，控制精准且无累积误差[12]。因此，在各种军、民用工业中得到了大量的应用。
近年来，电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的快速发展促使步进电机控制系统硬、软件控制方案彻底改变。在硬件上，出现了PLC、单片机、DSP等智能设备可用于步进电机的控制；软件上，出现了诸如PROTEUS、C语言等可用于对步进电机控制进行仿真和编程[3]。不断发展的技术极大地推动了步进电机驱动控制系统的进步，使其在不断改进的过程中成熟。
由于采用传统的步进电机驱动技术，步进电机只能以全步或半步模式运行，需要专用的脉冲驱动电源。这种驱动控制精度低，容易出现低频振动和噪声，存在累计误差，限制了其应用领域[12]。另外，在不同的控制情况下需要不同的控制电路来控制步进电机驱动器，不同的控制电路对步进电机的工作性能有很大的影响。应用传统电机控制驱动技术时一旦完成控制电路，就必须重新设计电路才能改变控制方案。为了驱动不同的电机就需要开发不同的驱动方案，使得开发难度和开发成本大大增加。
为此，设计一个集成微控制器和驱动芯片于一体的多轴多步进电机驱动控制系统，实现驱动与控制的完美结合，将大大改善步进电机驱动现状。
1.2国内外的研究现状
国外一直积极致力于开发步进电机的驱动技术。目前，国外对于步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量使用专用芯片，这可以大大缩减驱动器的体积，明显提高整机性能。专用芯片有两类主要方向：
1.硬件和微程序来实现电机合理的加减速、正反转控制。
2.实现细分技术。芯片内部集成PWM斩波控制和函数型双极驱动电路细分功能，大大改善步进电机的平稳性。但是此类芯片缺点在于受集成芯片的电压、电流限制，只适用于小功率电机驱动。
目 录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2国内外的研究现状 1
1.3论文的主要工作和内容安排 2
1.3.1主要工作 2
1.3.2内容安排 2
2.系统总体方案设计 3
2.1需求分析 3
2.2硬件总体方案设计 3
2.3软件总体方案设计 4
3.控制系统硬件设计 6
3.1步进电机简介 6
3.2 步进电机驱动器简介 6
3.3 PWM细分技术简介 6
3.4 硬件选型 7
3.4.1 STM32微控制器选型 7
3.4.2 步进电机驱动器选型 7
3.4.3 步进电机选型 9
3.4.4 屏幕选型 10
3.5模块电路设计 11
3.5.1 电源电路 11
3.5.2 晶振模块 12
3.5.3 复位电路 12
3.5.4 启动电路 13
3.5.5 下载电路 14
3.5.6 驱动接口模块 14
3.5.7 按键模块 15
3.5.8 LCD触摸屏模块. 16
3.5.9 ADC调速模块 17
3.5.10 LED指示模块 18
3.6系统接线及端口分配 18
4.控制系统软件设计 20
4.1编程环境与编程思路 20
4.2外设简介 22
4.2.1 GPIO简介 22
4.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2 定时器简介 22
4.2.3 ADC简介 24
4.2.4 NVIC简介 24
4.3主程序设计 24
4.4各模块程序设计 25
4.4.1 步进电机定时器中断 25
4.4.2 ADC采样中断 27
4.4.3 按键中断 28
4.4.4 触摸屏输入中断 29
5.控制系统调试与结果 33
5.1硬件调试方法 33
5.2软件调试方法 33
5.3调试效果及结论 34
5.3.1 开机显示内容 34
5.3.2 按键操作效果 34
5.3.3 旋钮调速效果 35
5.3.4 PWM输出验证 37
5.3.5 触摸屏效果 38
6.总结与展望 41
6.1本文总结 41
6.2工作展望 41
6.3对环境及社会可持续发展的影响 42
参考文献 43
附录 44
附录一.端口分配表 44
附录二.硬件原理图 46
附录三.硬件PCB 47
附录四.系统实物图 50
附录五.系统程序 51
致谢 60
1.绪论
1.1课题的研究背景及意义
步进电机作为执行器，是许多行业实现机电一体化的关键产品之一。步进电机具有体积小、性价比高的特点，并且其组成的开环系统既简单、廉价，又十分可靠，控制精准且无累积误差[12]。因此，在各种军、民用工业中得到了大量的应用。
近年来，电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的快速发展促使步进电机控制系统硬、软件控制方案彻底改变。在硬件上，出现了PLC、单片机、DSP等智能设备可用于步进电机的控制；软件上，出现了诸如PROTEUS、C语言等可用于对步进电机控制进行仿真和编程[3]。不断发展的技术极大地推动了步进电机驱动控制系统的进步，使其在不断改进的过程中成熟。
由于采用传统的步进电机驱动技术，步进电机只能以全步或半步模式运行，需要专用的脉冲驱动电源。这种驱动控制精度低，容易出现低频振动和噪声，存在累计误差，限制了其应用领域[12]。另外，在不同的控制情况下需要不同的控制电路来控制步进电机驱动器，不同的控制电路对步进电机的工作性能有很大的影响。应用传统电机控制驱动技术时一旦完成控制电路，就必须重新设计电路才能改变控制方案。为了驱动不同的电机就需要开发不同的驱动方案，使得开发难度和开发成本大大增加。
为此，设计一个集成微控制器和驱动芯片于一体的多轴多步进电机驱动控制系统，实现驱动与控制的完美结合，将大大改善步进电机驱动现状。
1.2国内外的研究现状
国外一直积极致力于开发步进电机的驱动技术。目前，国外对于步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量使用专用芯片，这可以大大缩减驱动器的体积，明显提高整机性能。专用芯片有两类主要方向：
1.硬件和微程序来实现电机合理的加减速、正反转控制。
2.实现细分技术。芯片内部集成PWM斩波控制和函数型双极驱动电路细分功能，大大改善步进电机的平稳性。但是此类芯片缺点在于受集成芯片的电压、电流限制，只适用于小功率电机驱动。
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