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

图1　系统总体方案007

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.

图2　控制程序流程图008