基于STM32闭环步进电机控制系统设计

（1） 掌握基于 PROTEUS 和 KEIL 的仿真调试方法。
（2） 掌握 uCOS-II 的移植，并采用多任务编程、调试。
（3） 熟悉电机的工作原理和功能，并掌握电机的应用和驱动方法。
1.2 内容

（1） 基本功能:本任务通过输出脉冲控制步进电机的停止、运动、方向。使用 两个按键分别控制步进电机的正转和反转，再次按下这两个按键，步进电机停止， 同时 LCD 显示电机状态信息。
（2） 扩展功能:加入一个转速阈值设置功能，由电位器充当阈值设置器，可设 置目标转速并使电机接近设置的转速。

第 2 章 系统硬件设计

2.1 总体框架设计

图 2-1 硬件框架图

本次任务实践的硬件架构设计如图 2-1 所示。按照设计任务的要求，本次设 计采用的主控芯片为 STM32F103，整体硬件设计以该芯片为中心，由按键输入模 块、LCD 显示模块、电机模块等组成。
2.2 硬件电路设计

（1） 参考 LCD1602 液晶显示屏的芯片资料，在 LCD 显示屏的电路连接中，将 VDD 以及 VSS、VEE 接到电源以及地上。之后再将它的3 个信号控制引脚 RS、RW、 E 以及 8 个数据传输引脚 DO-D7 分别连接到 STM32 的相应引脚上。
（2） 按键输入模块采用两个独立按键，分别连接 STM32 的 PB6、PB7 引脚，公 共端接地。
（3） 电机模块使用直流无刷电机，并采用 L293D 和 IRF540 MOS 管驱动。
（4） 用所谓“六步换向法”，根据转子当前的位置，按照一定的顺序给定子绕 组通电使 BLDC 电机转动。如图 2-2 所示。
永磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差 120°的 H3、H2、H1 方波， 从而产生有效的六状态编码信号:010、011、001、101、100、110，通过逻辑组 件处理产生 V6-V1 导通、V5-V6 导通、V4-V5 导通、V3-V4 导通、V2-V3 导通、V1-V2 导通，也就是说将直流母线电压依次加在 U ->V、w ->V、W ->U、V->U、V->W、
U ->W 上，这样转子每转过一对 N-S 极，V1、V2、V3、V4、V5、V6 各功率管即按 固定组合成六种状态的依次导通。

图 2-2 BLDC 控制框图

图 2-3 120°HAll 换相控制图
对于典型的三相带传感器的 BLDC 电机，有 6 个不同的工作区间，每个区间 中有特定的两相绕组通电。通过检测霍尔传感器，可以得到一个 3 位编码，编码 值的范围从 1 到 6。每个编码值代表转子当前所处的区间。从而提供了需要对哪 些绕组通电的信息。因此程序可以使用简单的查表操作来确定要对哪两对特定的 绕组通电以使转子转动。注意状态"0 和 7"对于霍尔效应传感器而言是无效状态。 软件应该检查出这些值并相应地禁止 PWM。
（5） Proteus 的无刷直流电机模型带有 3 个霍尔传感器，霍尔传感器的输出信 号两相间相差 120 度。与此对应的是电机转子每旋转一周霍尔传感器就能输出
6 种编码状态，如图 2-4 所示。 从图可见，霍尔传感器输 出状态变化一次，就 意味着电机转子转过了 60 度。 据此，可以根据单位时间 T 内捕获的霍尔传感 器输出变化的个数 n 计算出电机的转速 V=60n/T。 根据这一原理，通过控制器 的输入捕获功能 IC 获取到其中 一相霍尔传感器输出信号的周期，就可以比较准 精确地测量到电机的转速。

图 2-4 霍尔位置传感器输出信号波形

图 2-5 硬件原理图

第 4 章 调试过程及结果

图 4-1 仿真过程中

图 4-2 反转时的调速过程 仿真过程中可以看到定时器 PWM 输出之间的切换以及脉宽的变化。

图 4-3 接近稳定时

图 4-4 稳定后增大转速

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