面向大学生科技竞赛的步进电机控制创新教学实训平台设计

冯 涛，李 擎，崔家瑞，王常策，王 超，郭立晴

（1. 北京科技大学 自然科学基础实验中心，北京 100083；2. 北京科技大学 自动化学院，北京 100083）

步进电机是一种开环控制的机电执行元件，能够将脉冲信号转换成对应的角位移或直线位移，当所带负载不超过其转矩时，不需要反馈元件即可实现比较精确的位置定位，具有系统精简、可靠性高、不产生积累误差等优点，广泛用于机器人、数控机床等工业自动化领域[1-7]。近几年随着我校多个工科专业通过工程教育专业认证，我校对学生综合素质和解决复杂工程问题能力的培养力度逐年加大，学生课外科技创新活动蓬勃开展，学校每年积极组织学生参与大学生电子设计竞赛、全国大学生机器人电视大赛（ROBOCON）、飞思卡尔智能车比赛等多项科技竞赛，并广泛号召学生参与大学生科研训练项目（SRTP）[8-9]。在这些科技竞赛和SRTP中经常会使用步进电机。但是，由于步进电机的授课知识点在自动化、测控等电气专业并不是理论教学重点，也没有安排相应的实验教学学时，因此相关专业学生对步进电机的使用尤为陌生[10]。而步进电机的运转控制与普通的直流电机极为不同，需要配备专用的步进电机驱动芯片或驱动器按特定时序对线圈进行精细的电流控制，才能够有效地驱动步进电机实现平稳运转，并减少运转的振动和噪声，实现步距角细分，提高位置控制精度。此外，根据步进电机的频矩特性，其启动、停止及运转过程中速度的变化均需要对输入的控制脉冲进行特定的频率曲线规划，否则容易引起步进电机的失步、过冲等现象。因此，要实现步进电机的精准控制，需要涉及电机与拖动、运动控制系统、嵌入式系统、自动控制原理等多门学科知识，对学生的实践能力和综合应用水平都提出了极高的要求，给学生对步进电机的使用设置了较高的门槛。从近几年带领学生参加各类科技竞赛和SRTP的培训和指导经验上来看，非常需要一套针对步进电机控制的综合性创新实训平台，使学生熟悉步进电机的控制原理和使用要点，更好、更快地完成比赛项目，并提高学生的实践水平、创新能力和对专业的兴趣与信心[11-16]。因此，本教学团队结合自身优势，融合多年的横向项目经验，将相关科技竞赛中对步进电机的使用要求进行了详细的拆分、梳理和整合，开发了一款步进电机控制创新教学实训平台。

1 步进电机在学生科技竞赛活动中的应用

我校电子信息类学生参与的课外科技竞赛活动主要有全国大学生电子设计竞赛、ROBOCON以及其他各种创新创业比赛，其中大量涉及自动控制类的主题。以全国大学生电子设计竞赛为例，经过对历届赛题的分析发现，它们有一个共同特点，都需要对被控对象进行角度、位置或者速度的闭环控制，比如要控制小车的平面移动、平板的水平角度、摆杆的垂直角度等，具体分析如表1所示。对于这些物理量的控制，常规做法是使用普通直流电机配合光电编码器、电位器等反馈元件，运行比例积分微分（PID）控制等自动控制算法来实现闭环控制。但是，如果采用步进电机则具有更加明显的实现优势。由于步进电机的运转步数与控制脉冲个数一一对应，旋转速度与脉冲频率成正比关系，因此，使用步进电机只需要产生特定频率和个数的脉冲信号即可实现较为精确的位置与速度控制，不需要使用光电编码器等反馈器件，也不需要调节PID控制参数，就能获得明显的控制效果。特别是在全国大学生电子设计竞赛3天的紧张日程中，使用步进电机能够简化作品整体结构，节省PID控制的参数整定和效果调节时间，提高作品的稳定性和整体完成度，取得更好的比赛成绩。

表1 近几届全国大学生电子设计竞赛控制类题目分析

2 步进电机控制创新教学实训平台硬件设计

电子信息类的课外科技创新活动对步进电机控制创新教学实训平台的要求主要有：

（1）能够对1或2路步进电机的旋转速度和位置实现精准控制。

（2）具有I2C、SPI等常用总线的扩展接口，方便功能扩展，以连接外接电路，实现对旋转角度、倾角角度、加速度、黑白线等物理量的检测。

（3）具有一定的通信功能，能够实现与上位机或其他模块的通信。

（4）具有防电源反接、过流保护功能，防止学生错误操作导致电路损坏。

（5）体积小巧，方便直接应用在项目和作品中。

基于这些要求，本文设计的步进电机控制创新教学实训平台总体方案如图1所示。平台以高性能单片机 STM32F103为核心，集成有 EEPROM 存储器、FLASH存储器、按键输入、AD采集/传感器检测功能，并向外提供了步进电机驱动接口，以方便外接步进电机驱动器，实现对步进电机的控制。平台还预留了SPI、I2C、UART总线及液晶显示接口，方便系统进行功能扩展。

图1 步进电机控制创新教学实训平台功能框图

2.1 电源电路设计

在本平台中，单片机及其外围芯片均使用 3.3 V供电，因此需要专用的稳压电路将外部输入的5～9 V电压转换成为3.3 V稳压电源。选用低压差线性稳压器LM1117-3.3，电路如图2所示。虽然线性稳压器工作效率一般情况下比开关稳压器低，但本平台输入输出电压差并不是特别大，使用线性稳压器反而可以简化电路结构，有利于提高系统可靠性。在电源入口处加入了防反接二极管，防止学生使用时将电源接反，损坏后面的电路。

图2 电源电路原理图

2.2 单片机系统电路设计

本平台的主控制器选用的是ST公司的STM32F103C8T6单片机，集成了ARM公司的Cortex-M3内核，工作主频为 72 MHz，具有较高的处理性能，是目前市面上的主流单片机。该单片机采用TQFP48封装，体积较小，但是包含足够的外设，包括定时器、UART、I2C总线、SPI、模拟数字转换器（ADC），及数量丰富的I/O口，满足平台的功能需求。单片机系统电路如图3所示。

2.3 步进电机驱动器接口电路设计

步进电机需要由专用的驱动电路来按照特定时序对其线圈进行斩波控制。为了简化系统，本平台采用了成品步进电机驱动器TB6600，具有完善的步距角细分、电流控制、过流过热保护等功能，使用方便可靠。TB6600与步进电机控制器通过PUL、DIR、EN 3根线进行连接，这3根接口线内部由光电耦合器进行隔离，将单片机的输出口通过开漏方式与 TB6600的对应接口相连，即可将脉冲、方向和使能信号输出给TB6600，实现对步进电机的控制。单片机与 TB6600的连接电路如图4所示。

2.4 平台PCB设计

图3 单片机系统原理图

图4 步进电机控制器与驱动器的连接

平台上集成有按键检测、AD转换接口、RS232电路、外扩SPI及I2C总线接口、EEPROM储存器和FLASH芯片电路等，并将多余的I/O口也都通过接插件引出到电路板外面，以方便系统扩展。PCB设计采用2层板，将各个电路模块明确地标识出来，并且在关键信号线上都设计了测试点，方便学生观察波形进行学习。最终设计出的 PCB电路板和搭建好的平台整体如图5所示。

图5 平台实物

3 步进电机控制创新教学实训平台软件及教学内容设计

3.1 实训内容整体安排

本教学平台对各个单元模块均开发了对应的示例程序及实训内容，以帮助学生全面提升实践能力和单片机应用水平。针对不同基础的学生，将实训内容按照基础型和综合型分层次安排，学生可在掌握基础型实训内容基础上，再完成对应的综合型实训内容。具体实训内容如图6所示。

图6 实训内容分层次设计

针对每个单元模块均提供原理讲解、调试注意事项及示例代码，并安排一些综合设计任务帮助学生消化理解实训内容。实训项目及学时安排表2所示。

表2 实训项目及学时安排

3.2 步进电机控制脉冲可控输出

步进电机控制创新教学实训平台的核心功能是实现步进电机的控制。单片机只需给 TB6600提供相应的脉冲信号即可控制电机的运转。脉冲的个数和频率分别决定了步进电机的旋转步数和速度。但是根据步进电机的特性，在步进电机启停和速度改变时，需要按照一定的规划曲线来控制脉冲的频率。因此需要使用单片机程序实现脉冲个数和频率的可控，并且要根据步进电机的频矩特性和应用层算法的要求，灵活地控制脉冲信号的频率变化。这样的功能对学生的编程能力和单片机综合应用水平提出了很高的要求，因此是实训内容设计的重点。

为了实现上述的控制脉冲的可控输出，将STM32单片机内部的两个定时器进行级连，以硬件的方式来对脉冲输出进行控制，结构如图7所示。

图7 定时器级连操作框图

图7 中，单片机的内部时钟输出给定时器1以实现特定频率和占空比的脉冲输出。同时该脉冲在内部输入给定时器2，由定时器2对脉冲个数进行计数，并且设置定时器 2的相关寄存器，使得脉冲输出的个数达到一定数量时触发定时器2的中断服务程序（ISR），在ISR中，由程序改变定时器1的相关寄存器，以改变后续输出脉冲的频率和个数。这样只需要极少量的软件干预就实现了脉冲个数和频率的可控输出。利用这样的方法，输出两路脉冲数量受控、脉冲频率按线性变化的波形如图8所示。

图8 脉冲可控输出波形

本平台在实训过程中给学生提供详细实现思路和编程方法，并给出C语言示例代码，学生在深入理解其实现原理之后，只需要在ISR中加入自己所需要的控制代码，就可以方便地在参赛作品中实现步进电机的精准控制，省去了赛前或赛中临时调试的步骤，为学生提供了极大的便利。

4 步进电机创新教学实训平台应用现状与效果

步进电机创新教学实训平台从2012年开始研发，经过几次改进，于2016年正式投入使用，目前已经全面应用于全国大学生电子设计竞赛、ROBOCON、SRTP以及其他创新活动的赛前培训工作中。每年利用此平台参加实训的学生人数超过100人，实训1 000余学时，参训学生曾获得第十届国际大学生ICAN创新创业大赛2016年总决赛一等奖、全国大学生电子设计竞赛二等奖等优异成绩。平台本身也获得了第三届高等学校自制实验教学仪器评选三等奖的优异成绩。在平台研发过程中产生多项知识产权并申请了多项发明专利。

5 结语

本文针对大学生课外科技创新活动中对步进电机的使用要求，开发了一款适用于学生科技竞赛赛前培训的步进电机控制创新教学实训平台。平台以高性能STM32系列单片机为控制核心，配备相应的外围电路和驱动器，实现了对步进电机位置和速度的精准控制。同时给学生设计了详细并且富有层次化的实训内容。学生可以通过此平台学习嵌入式开发和步进电机的控制原理，也可以直接将此平台应用于参赛作品和创新项目实现中。实际应用表明，此平台的研发和应用弥补了相关专业理论教学大纲中对步进电机教学知识点的盲点，有效提升了学生的实践能力、专业素质和解决复杂工程问题的能力。