【摘 要】
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步进电机是一类能够将脉冲信号转换为角位移的开环控制电机。在非过载情况下,电机旋转速度与脉冲频率成正比,旋转角度与脉冲个数成正比。正是因为这一线性关系的存在,以及步进电机本身具有的无积累误差、精度高等优点,使其在雕刻机、工厂加工、医疗器械以及智能机械等速度位置控制领域受到各大市场和科研人士的青睐。尽管步进电机得到了一定的发展,但是仍然存在可优化空间。例如,步进电机的良好运行需要依赖于驱动器的性能,因
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步进电机是一类能够将脉冲信号转换为角位移的开环控制电机。在非过载情况下,电机旋转速度与脉冲频率成正比,旋转角度与脉冲个数成正比。正是因为这一线性关系的存在,以及步进电机本身具有的无积累误差、精度高等优点,使其在雕刻机、工厂加工、医疗器械以及智能机械等速度位置控制领域受到各大市场和科研人士的青睐。尽管步进电机得到了一定的发展,但是仍然存在可优化空间。例如,步进电机的良好运行需要依赖于驱动器的性能,因此开发优良性能的驱动器是十分必要的;另外,步进电机运行过程中会出现过冲和堵转现象,设计具有高性能、高效率的PID双闭环控制算法可有效解决此类现象。在此背景下,本文基于STM32设计了步进电机驱动模块,具体工作内容如下:（1）设计完成了一款PID控制器与具有高细分、高性能的步进电机驱动器,两者组成的驱动模块可实现1-128高细分驱动,能够缩小步进电机的步距角,使其控制精度得到进一步提高。另外,利用对插方式将两者相连接,且将控制器部分的I/O接口引出,为后续二次开发提供了可拓展性。（2）设计了一款基于PID控制的步进电机双闭环控制算法。通过设置控制系数,结合位置环期望值判断是否开启速度环控制,使步进电机在距离目标值较远时采用速度环控制,在步进电机开启和即将到达目标值时采用位置环控制,有效解决了传统PID双闭环控制算法在控制步进电机时的过冲和堵转现象。同时,步进电机的运行曲线平稳无震荡,并且使实际值与目标值的固有误差缩小到了0.2×10-4,提高了步进电机的运行精度。（3）通过MATLAB软件和示波器对步进电机驱动模块和控制算法进行仿真和测试,得到步进电机驱动模块的输出波形和步进电机的运行曲线。利用理论分析与具体实验相互验证的方法,证明了本课题所设计的步进电机驱动模块具有较佳的性能。同时,该设计提供了一种新颖的PID双闭环控制算法具有高精度运行性能,在精密加工、生物医疗等领域有着广泛的应用场景。
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