基于STM32的双电机协同控制移动平台设计开题报告
- 文献综述
前言：步进电机又被称作脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。这种元件的主要功能就是将脉冲电信号转变成相应的角位移或者直线位移，同时它的输出转角、转速与输入脉冲个数、频率之间有着严格的同步关系。步进电机由于本身的特点，在实际的应用中，有利于装置或者设备的小型化或者低成本。因此，这种元件被广泛地运用在了多个领域，并且得到不断的发展和完善。同时步进电机也是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度 (称为' 步距角')一步一步运行的, 其特点是没有积累误差 (精度为 100%), 所以广泛应用于各种开环控制。控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。多年以来，随着电力电子技术的发展，还有自动控制技术的不断提高以及计算机网路和通信技术的发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分的不断发展， 国内外围绕着步进电机电路系统的研究做了大量的工作以及相应的开发工作。
正文：目前，基于单片机的步进电机控制设计已有许多成果。步进电机驱动技术国内研发情况：步进电机驱动电源与步进电动机本身就是一个整体，而驱动电源的性能在某种程度上直接影响了步进驱动电机系统的性能的好坏。现在主要从以下几个方面讲解驱动电源在我国研制的情况。
1.1 电源功放级使用元件情况
可控硅作为末级控制器，可靠性相对差，不便于调试和维护，同时抗干扰能力不强，随着大功率的晶体的流行，现在我国基本上不再采用可控硅作为末级控制器。晶体管具有控制方便和调试简单的特点，同时开关速度和元件损耗也相对较少，同时采用了先进的设计方法，导致现在的晶体管的耐压能力比可控硅大很多，因此近些年来，都是采用大功率的晶体作为步进驱动单机中电源的末级功放元件。随着成本的降低和使用经验提高，今后将会有越来越多的步进电动机使用 V 形槽金属氧化物半导体场效应晶体管作为步进电动机电源的功放元件。
1.2 驱动电源电路结构的发展：不同形式的功率放大电路对于电机的性能影响是不一样的， 这种不同形式的功率放大电路的差别主要体现在功率放大电路中的输出结构的不同。电压的驱动电路在二十世纪六十年代初期就已经在国外被大量使用了。高低压驱动电路是在六十年代末出现的，是为了应付对在高频工作使用情况的。在七十年代中期，为了改进上述所说的情况，而设计了斩波电路。这种电路会使电流在额定数值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效电流相应的增加，因此电机的输出转矩增大，能基本上保持恒定，同时不需要外接电阻。因此，整个系统的功耗非常的小，电源效率相对比较高，所以这种电路投入使用的范围比较广。在上世纪七十年代，建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上，美国学者提出了细分电路。这种电路能够使电机的运行保持稳定，提高匀速性，减轻甚至可以消除振荡。近几年，由于微处理技术的快速发展，这种电路得到了广泛的应用。
2.细分电路的原理
步进电机驱动线路如果按照环形分配器决定的分配方式，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进所需的旋转磁场拖动转子步进旋转,则步距角只有二种，即整步工作或半步工作，步距角已由电机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距角，更高的分辨率,或者为了减少电机振动、噪声等原因,可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电机的合成磁场也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。 这里,绕组电流不是一个方波,而是阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除, 电流分成多少个台阶,则转子就以同样的次数转过一个步距角,这种将一个步距角细分成若干步的驱动方法,称为细分驱动。
- 步进电机细分驱动电路：目前,步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制。单片机控制的步进电机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种。放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受单片机输出的控制电压控制,电路较简单,电流的控制精度也较高,但是由于末级功放管工作在放大状态,使功放管上的功耗较大,发热严重,容易引起晶体管的温漂,影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿,使电路不能正常工作。因此该驱动 电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态,从而使得晶体管上的功耗大大降低,克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题。但电路较复杂,输出的电流有一定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电机的驱动。
- 基于单片机的多电机协动控制系统主要通过串口通信协议RS232与上位机进行通信，控制芯片通过对上位机命令的解析来控制定时器PWM的输出频率，从而达到对步进电机速度的控制；另一方面，在外围安装有一系列的传感器，通过传感器采集模块对执行机构的位置进行采集，进而反馈到控制板内，达到对步进电机运动的反馈控制调节。
- 步进电动机升降速控制系统可实现以下功能：在显示器提示下，由键盘输入运行的步数和稳定运行的速度，设置电机的转向，按启动键后，步进电机按照输入的运行步数进行走步，当全部步数走完后，系统回到初始状态；如果在步进电机转动时按下停止键，那么步进电机走步停止。
- 系统采用并行控制方法，并使用软件而不使用硬件来完成对控制脉冲的分配，用单片机的４条I/O口P０.０—P０.３ 直接控制步进电机（A—D相）每一相驱动电路（A—D相）由单片机按照通电顺序向驱动电路发出控制脉冲。电机采用四相八拍工作方式,各相绕组的通电顺序是：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（正转），A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A(反转)。四相八拍制方式的控制通电状态见表1，在输出最后一个控制字时，指针重新赋值指向第一个控制字。
- STM32 单片机的原理：在 STM32 单片机中，CPU 选用了 72MHZ 零等待处理器，即：数据的处理无需响应时间，且乘除法运算仅在一个机器周期内便可实现。STM32 单片机的 GPIO（通用输入 / 出）接口非常丰富，且引脚数量共有 144 个，其中可以兼容 5V 的通用 I/O接口共有 80 个，实现了利用 STM32 来处理 5V 模块，同时配置有外部中断共 16 个，挂载在内部总线上的 12 位模数转换器共 2 个及其实现了多重采集、保持采集数据，且还在内部集成有温度传感器。STM32 单片机的定位装置利用了 ARM 处理器，则其实时性能远超普通单片机，且利用其内部集成的 DMA 直接存取寄存器，实现了直接向处理器传输数据。 GPIO 模式GPIO 是一种基于 STM32 单片机的通用输入 / 出模式。关于 STM32 MCU，其融合了高性能、实时性、数字信号处理、低电压和低功耗于一身，同时保持了高集成度、开发简易的特点，且其允许通过配置软件来将 GIPO 引脚配置成 8 种模式，而 STM32 单片机的通用输入 / 出引脚通常分为不同的组，即 GPIOC GPIOD...GPIOG，如 GPIOA，其共有 16 个引脚（PA0~PA15）。 I/O 模式与速率利用软件编程，STM32 GPIO 可实现速率不同的输出模式，如 2、10、50MHZ 等。研究发现，通过提高输出速率，可使GPIO 端口响应内部电路的速率同步提高，同时利用软件提供的 MODE 寄存器可设置 GPIO 速率，即 ：MODE 00、保留 ；MODE 01、最大输出速度 10HNZ ；MODE 10、最大输出速度 2MHZ ；MODE 11、最大输出速度 50MHZ。关于 STM32 GPIO 输入模式的配置，包括浮空输入、模拟输入、下拉输入和上拉输入 ；GPIO输出模式包括开漏复用输出、开漏输出、推挽输出和推挽复用输出，如 I/O 接口的配置，即为 ：GPIO Mode AIN=0x0,//模 拟 输 入 ；GPIO _Mode _IN_FLOATING=0x04// 浮 空 输入 ；GPIO _Mode _IPD=0x28,// 下 拉 输 入 ；GPIO _Mode _IPD=0x28,// 上 拉 输 入 ；GPIO _Mode _Out_PP=0x10,// 通用推挽输出 ；GPIO _Mode _AF_OD=0x1C,// 复用开漏输出 ；GPIO _Mode _AF_PP=0x18,// 复用推挽。
总结：
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