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摘 要

本文根据具体的现实背景，分析并概述了目前步进电机的发展与各类控制、驱动技术，并依据分析结果，设计了一种较高精度的步进电机驱动系统。该设计使用STM32F103芯片与BY5064芯片作为主体，设计功能包括细分数可变的硬件细分驱动与S型曲线加减速控制。该设计通过仿真模拟得到了较好的结果。

关键词：步进电机 细分驱动 s曲线加减速

A development of real-time control crystal grinding machines with fast response system

Abstract

By analyzing the current development of stepper motors and researching the various control methods and driving technologies, this paper designs a higher-precision stepper motor driving system based on the actual background and the analysis results.

This design uses STM32F103 and BY5064 to complete a kind of subdivision-driving method with variable subdivision number. It also has the function of S-curve acceleration and deceleration control.

The design obtained good results through simulation.

Key Words: stepper motor; ubdivision-driven; S curve acceleration and deceleration

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 步进电机驱动技术概述 3

2.1 两相混合式步进电机工作原理 3

2.2 细分驱动原理 5

2.2.1 方式 6

2.2.2 方式 7

2.2.3 细分驱动技术总结 8

2.3加减速控制技术 12

2.3.1 加减速控制概述 12

2.3.2 指数型速度控制分类 15

第三章 系统设计与仿真模拟 16

3.1 系统框架设计与元件选型 16

3.2 系统软件设计 17

3.2.1 选择开发环境 17

3.2.2 系统初始化设计 18

3.2.3 S型加减速算法设计 20

3.2.4 TIM设计 22

3.3 系统硬件设计 24

3.3.1 主控制模块设计 25

3.3.2 驱动模块设计 28

第四章 总结与反思 36

4.1全文总结 36

4.2反思 36

第五章 参考文献 37

第一章 绪论

有“中国水晶玻璃之都”之称的浙江省金华市浦江县，水晶玻璃工艺品生产企业达1200余家，另有商户1000多户，销售额超过12亿元人民币/年，市场占有率高达全国的60%以上^[1]，晶玻璃工艺品已成为当地的主导产业。着经济全球化的进展，浦江水晶玻璃工艺品更是远销海外。

但是该产业本身存在诸多问题，其中一大问题便是浦江水晶产品的质量与档次相较国外的产品差距较大。这其中固然有产品设计落后的原因，也有很大部分要归咎于行业整体的设备简陋、工艺落后。

在浦江的玻璃产业发展时期，大部分产品的加工方式是依靠简单的设备对玻璃水晶平磨加工，属于依靠人力资源进行的手工操作。这种加工方式产量小，效率低，加工精度无法达到较高水准。随着水晶研磨设备的研制与发展，目前该地区的水晶玻璃的加工水平已经有所提升，但是仍有所欠缺。

水晶玻璃加工可分为三个步骤：粗磨、精磨和抛光^[2]，这三个步骤都需要使用水晶研磨机设备对水晶玻璃进行磨削加工。目前已有的水晶研磨机主要是以PLC控制系统驱动步进电机运行以控制磨盘来对水晶玻璃进行加工^[3]。

图1-1. 水晶珠样品^[4]

以水晶珠为例，加工后得到的水晶珠如图1-1所示，在研磨水晶珠的时候，加工件在被磨盘研磨后形成的切面被称作“面”，加工面时的行程时“面深度”。设加工切面和加工件中轴线之间存在一夹角，将此夹角角度称作“行角度”，行角度相同的面属于同一“行”，同一行上的每两个相邻的切面之间的夹角为“面转角”。当加工件被加工时，步进电机工作以带动夹具转动，磨盘接近加工件进行研磨加工。当一个面被加工好后，水晶研磨机将加工同一行的另一个面，直到整行加工完成，再加工另外一行^[4]。

在对水晶玻璃进行加工时，转行角度、转面角度、磨削深度、磨削速度^[5]四个参数会影响水晶研磨机的加工精度。这一加工过程是由升降步进电机、行角度步进电机、面角度步进电机，这三种步进电机协调控制，互相协作以及磨盘电机运作的过程。在磨削加工中，磨盘运行时的磨削速度是否稳定，控制各种角度的电机转动的角度是否精确都对最后成品的品质有十分重要的作用。

因此，高精度、高稳定性的水晶研磨机是决定浦江水晶产品质量提升的关键所在。而为了提高水晶研磨机的精度与稳定性，关键在于提高步进电机的控制精度与稳定性。

第二章 步进电机驱动技术概述

步进电机的运行时接收数字控制脉冲信号，并将其转化为位移量。步进电机的角位移量与输入的控制脉冲个数成正比，且在时序上与脉冲同步。因此，在步进电机工作过程中，只需要对脉冲的数量、频率和电机绕组的通断进行控制，即可控制所需的转角、速度和方向^[6]。

本课题中的设计使用两相四极混合式步进电机。这种电机可输出的力矩较大、动态性能优秀同时步矩角更小。

2.1 两相混合式步进电机工作原理

两相四极混合式步进电机的转子组成中段为永磁体，此永磁体以轴向充磁，而转子的两段铁芯位于永磁体两端，分别被永磁体磁化为N极转子与S极转子，定转子齿距相等。但从轴向观察，两相四极式混合步进电机中的N极转子与S极转子的转子齿中心线错开1/2齿距。

图2-1. 两相四极混合式步进电机结构示意图

图2-2. 两相四极步进电机等效磁路

两相四极混合式电机其等效磁路如上图2-2所示，其中F_A、F_B、F_A-、F_B-为各定子绕组对应的磁动势，R_AN、R_BN、R_AS、R_BS则为在转子两端铁芯的对应磁阻，F_m与R_m则为转子中永磁体的磁动势与磁阻。

以上图为基础，由于步进电机工作时，转子的磁导受定子上的线圈产生的磁场影响会发生周期性变化，将其磁导进行计算并简化，可得到：

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