基于 STM32 步进电机控制器的设计研究
摘 要：随着工业和科技的发展，嵌入式控制系统也越来越受到人们生产生活的青睐，其拥有强大的处理、控制的性能的同时还有着低功耗，体积小等特点。本设计选用基于 ARM Cortex-M3 内核的 STM32 芯片作为主控芯片，外围电路包括红外接收模块，电机驱动器；该系统的控制流程是通过红外遥控模块发送指令，STM32 接收指令并向步进电机驱动模块发送相应的脉冲。驱动模块通过细分等操作驱动步进电机完成所需的动作特性；程序在 MDK 环境下进行编程，通过程序实现不断扫描红外遥控是否发出指令，发出什么指令，从而根据扫描的结果使步进电机产生相对应的动作如正转、反转、加速、加速等动作，再由测试软件算法估算出电机的速度。实验结果表明，该系统的稳定性和步进电机各项运动指标均满足要求。
关键词：STM32；步进电机；正反转；加减速
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.35.116
STM32 系列是由意法半导体（STMicroelectronics）生产的嵌入式控制芯片；32 系列包含多款芯片，本设计采用 STM32F103RB 芯片，其基于 ARM 代表性的内核 Cortex-M3，该内核采用市场目前主流的 ARMv7 架构和面向高级语言的 Thumb-2 指令集的同时拥有很多其他鲜明的优势如更强大性能、位带操作等，并在代码密集度、实际应用、能耗 、售价等方面均衡的发展。
步进电机是将电脉冲转换为线位移或者角位移的驱动装置，同时也是脉冲单值对应的增量元件，不同的步进电机需要不同的驱动器去驱动它们的运动，在实际控制系统中，当控制器输出脉冲信号先经过驱动器，再由驱动器驱动。步进电机按照特定的方向旋转一定角度并且这个角度是固定的是电机的固有属性被称为「步距角」，步进电机位移与驱动器输入脉冲成正比，并与输入脉冲同步，因此通过主控芯片来改变脉冲信号的频率、占空比等，来具体的控制步进电机获得具体需要的运行特征。
1 方案设计
本设计方案是以 STM32F103RB 为主要控制器，步进电机和电机驱动器为驱动电路，遥控作为信号的输入设备，STM32F103RB 主板上红外模块接收到遥控发出的信号，并将接收到的信号转变成脉冲信号和方向信号，为了控制步进电机的速度大小和方向，再通过 I/O 口发出变换后的脉冲给匹配的驱动器，驱动器驱动步进电机相应的运动，方案设计如图 1。
2 硬件设计
本次设计采用开发板是 STM32F103RB 作为主控芯片和其他功能的外围电路构成，就性能而言，STM32F103RB 是一个 32 位内核，且拥有高达 72MHz 的时钟频率和接近 80MIPS 的指令速度。同时，32 位硬件除法和单周期乘法器等体系增强了其数据处理和计算能力。而且 STM3F103RB 芯片集成了多种功能模块，包括定时器、串行和通信接口等，可以满足用户的应用环境。
根据总设计要求，步进电机选用两相双极性步进电机（14HD3809D5）。
步进电机驱动器的选型需要高度贴合所应用的步进电机，主要需要完成两个匹配问题，电压匹配，和电流匹配；本次设计采用 ASD422R 步进电机驱动器，该驱动器可以完全匹配所应用的电机，还可以实现细分功能，实现对步进电机更精确的控制。
为了避免电路间滤除噪声和干扰，将输入、输出信号之间干扰的控制在不影响结果的范围内，硬件设计必须要考虑在 CPU 和驱动器之间添加了一个隔离电路对输入/输出信号进行隔离，本次设计选用的是光电耦合器，它可以实现由电到光再到电的转换，它在输入/输出电信号之间起到良好的隔离作用，大大减少了输入回路和输出回路之间的电气干扰。本设计选用的光电耦合器为 HCPL2631。
根据上面的方案设计和硬件选型，可以知道步进电机的方向和脉冲信号需要控制，所以 STM32F103RB 开发板需要引出两个引脚，在与电机驱动器连接中，通过光电隔离电路进行对输入、输出信号进行隔离，CPU 工作可以用 USB 供电 5V，然后通过主板转化成 3.3V 对 CPU 进行供电，外接 24V 电源给电机供电驱动，以及需要将脉冲、方向的公共端接 5V，步进电机与驱动器按原理图接口对应连接，由以上条件可以画出相应的电路图，如图 2 所示。
3 系统控制程序设计
3.1 软件方案设计
本次设计的总体思路是通过红外遥控发送指令对电机进行控制，当远程发出一个指令，单片机 STM32 通过外围电路接收到该指令，判断该指令所对应的功能，在将对应的功能转化为对应的脉冲波形，再由驱动器对电机进行驱动，采用 C 语言编写程序，按照需求设置了 4 个按键，分别是加速、减速、停止、正反转 4 个功能，key1，key2，key3，key4 分别对应上述功能；图 3 表示该过程流程图。
程序初始化部分主要包括中断初始化，I/O 口初始化，延时函数初始化，定时器 3 初始化，步进电机初始化和串口通信初始化，初始化部分主要目的完成软件执行前的准备工作，当 NVIC 中断初始化时，中断优先级分组设置为 2，通过中断方式来控制具体实现的功能。
3.2 速度方向控制方法
设定的电机驱动细分为 3200，电机的当前的转动速度为「频率/细分」。电机无论在加速、减速、停止都是同样的计算步数，若电机速度从 10 加速到 100 需要十步，CPU 计算重装载值表，会把电机动作的步数分解成由 10 加速到 20，再从 20 加速到 30，直至加速到 100，然后启动定时器，接着进入中断，判断是否到达目标速度，如果没有的话，就不更新，没有动作，如果是的话就更新重装载值，发出动作。同样减速、停止都是同样的算法，而换向的分为两个部分，先减速至零，然后在加速至指定速度，算法跟加速、减速、停止是一样的，只是过程分成了两个部分。
3.3 程序代码
代码使用 KEIL MDK5 软件编写各个模块，其中主要功能简单代码如下：
int main（void）
{u8 key;
u16 printf_Clock；//打印时钟
NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）；//设置中断优先级分组 2
delay_init（）；//延时函数初始化
RUN_LED_Init（）；//相关 I/O 口初始化
USART2_Init（115200）； //串口 2 初始化
TIM3_Init（1000，72-1）；/ /定时器 3 初始化
Step_Motor_01_Init（）；//步进电机 01 初始化
RS485_Init（115200）； //RS485 初始化
Remote_Init（）；//接收初始化
printf（「系统启动完毕…」）；while（1）//红外自检模块
{ListenDirProcess（）;
RS485_Receive_Process（）；//RS845 接收程序进程
delay_ms（5）;if（Remote_Rdy）
{key=Remote_Process（）；//接收按键值赋给 key
printf（"key = %d"，key）;switch （key）
{case 194：// 加速
FastMotorFuc（）;break;
case 34：// 减速
SlowMotorFuc（）;break;
case 162：// 停止
StopMotorFuc（）;break;
case 226： //换向
DirMotorFuc（）;break;
Default;break;}}}}
4 结论
通过硬件调试，实现了预计的目标，通过 STM32F103RB 控制芯片对步进电机实现正反转、加减速、启停的控制，通过遥控发送信号，由 STM32F103RB 开发板上的红外模块接收信号，STM32F103RB 控制器接收指令，步进电机驱动器接收到的指令必须是通过光电隔离模块之后的，最后再由驱动器控制步进电机，达到控制步进电机的目的。该设计证明了 STM32 具有非常强大的控制能力，可以实现多种扩展。不仅如此，其能耗相对较低，稳定性卓越，具有很好实际使用价值。
参考文献
[1]冯新宇.ARM Cortex-M3 体系结构与编程[M].2 版.北京：清华大学出版社，2017.
[2]刘军，张洋，严汉宇.例说 STM32[M].3 版.北京：北京航空航天大学出版社，2018.
[3]杨百军，王学春，黄雅琴.轻松玩转 STM32 微控制器[M].北京：电子工业出版社，2016.
[4]刘一.基于 STM32 的嵌入式系统设计[M].北京：中国铁道出版社，2015.
[5]杨振江，朱敏波，韦博，等.基于 STM32 ARM 处理器技的编程技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016.
[6]谢耕，赵恒博，廖明栋.基于 STM32 的步进电机控制程序设计 [J].信息通信，2018，（184）.
[7]北京市自动化技术研究所，一机部电器科学研究院编.步进电机综述 附专题文献索引[M].北京：北京市自动化技术研究所，一机部电器科学研究院，1965.
[8]王永虹，徐炜，郝立平.STM32 系列 ARM Cortex-M3 微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
作者 周建寅 谢超 姜婷婷