基于 GD32 的步进电机伺服控制系统

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基于 GD32 的步进电机伺服控制系统
MCU 性价比高、稳定性好、开发难度较小，被广泛应用于各个层次的电机控制
之中，从而成为市场主流的电机控制方案之一，但由于此类芯片运算速度不高，所
以在实时性要求较高的场合中受到了一定的限制。文献[9-11]为解决步进电机低速振
荡、斩波频率不可调、并行控制模式下实时性差等问题，采用 STM32 系列 MCU 分
别设计了相应的控制系统和控制器，并进行了性能测试，实验结果表明该控制器和
控制系统在上述问题上具有一定的有效性和优越性。
DSP 芯片数据实时处理能力强，能够同时处理多个事件，其超快的运算速度可
轻松应对复杂的电机控制算法 [12] ，但此类芯片一般均为 16 位以上的处理器，且对软
件算法的要求较高，故一般用在系统要求较高的场合。文献[13-15]采用TMS320系列
DSP芯片，运用细分驱动技术、SVPWM改善了步进电机低频振荡和高频转矩下降等
问题，但未能解决外界较大扰动对系统的动态响应的影响、使用灵活性和系统稳定
性等问题。

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伺服控制系统应具的主要的功能如下：
（1）两路电机能按照上位机控制指令实现相应转动；
（2）具有方位复位、俯仰复位、方位驻留、俯仰驻留、扇区扫描功能；
（3）具有实时向上位机反馈电机运行状况及轴角等信息的功能；
（4）具有串口通信功能；
（5）具有过流保护功能。

五方面：
（1）角位置控制精度：≤0.1°；
（2）转速要求：2°/s；
（3）工作温度：-40～55℃；
（4）储存温度：-40～70℃；
（5）功耗供电：≤5W；

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系统硬件平台是软件运行和功能实现的基础，所以硬件设计的合理性是伺服控
制系统发挥作用的重要保证。系统的硬件总体设计方案如图 2.1 所示，该伺服控制系
统主要由上位机、GD32 伺服控制器、两路霍尔传感器、两路步进电机及其驱动器构
成，一路电机作为两轴伺服转台的方位电机，另一路电机作为俯仰电机，驱动器与
控制器之间采用共阴极接法，故驱动器只响应高电平控制信号。系统工作时，伺服
控制器通过霍尔传感器实时采集电机的运动信息，并经主控芯片处理后实时上传给
上位机，以供上位机处理显示电机当前状态和位置；同时，上位机下发的控制指令
通过 RS422 线路传输至主控芯片，主控芯片将接收到的控制指令进行解码后输出相
应脉冲给步进驱动器，驱动器再根据脉冲信号控制电机绕组中电流的大小或通断，
从而控制电机的运转状态。

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控制系统的软件从整体上看需要实现两种功能，一是完成整个系统的初始化，
并能通过串行接口实现上位机与主控芯片之间的数据交换；二是将来自上位机的指
令或传感器的反馈数据进行解析，输出控制电机运转的脉冲。控制系统的软件总体
框图如图 2.2 所示，主要由主程序、串口通信程序、位置反馈程序和电机控制程序四
个部分组成。主程序的功能是完成系统的初始化、相关变量的申明和相关参数的设
置；串口通信程序主要用于上位机与下位机数据的接收与发送；主循环程序主要对
系统的中断事件进行处理；外部中断程序主要对霍尔传感器的采集的逻辑电平进行
处理，以方便电机控制程序判断并控制步进电机的运转；电机控制程序负责对上位
机下发的控制指令输出相应占空比的 PWM 脉冲，完成对应的电机功能控制。

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脉冲宽度调制(PWM) 信号是一种连续可调的数字信号，通过调节 PWM 信号相
关参数可以等效的用来控制模拟电路。数字信号的抗干扰能力强，所以采用 PWM 控
制的系统精度和稳定性高。根据面积等效法则，波形不同但面积相等的信号，其控
制效果一样，所以可以通过调整 PWM 信号高电平持续时间来等效代替相应幅值和频
率的其他波形 [27] 。一个周期内高电平持续的时间与周期的比值称为脉冲的占空比，
不同占空比的 PWM 波形如图 2.5所示。

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如图 2.7(a)所示为 7 段 S 型加减速曲线，一共有 7 个运动状态，依次为加速度增
大的匀加速、匀加速、加速度减小的匀加速、匀速、加速度变大的匀减速、匀减
速、加速度变小的匀减速 [30] 。S 型加减速曲线各速度段之间过渡平缓，无加速度突
变，从而避免了电机及负载的冲击，并且该曲线的急动度可控，所以是非常理想的
速度控制方案。但这种方案逻辑复杂、分段较多，所以代码实现相对困难、系统运
算时间长。
如图 2.7(b)所示，指数型加减速方案在开始启动和停止的瞬间，加速度会突然变
大，而速度曲线又相对平滑和连续，所以该方案下电机既能够快速启停，又能够平
稳运行。但由于启停阶段存在加速突变，所以会给电机和负载的带来一定的冲击。
此外，该方案在启动阶段的加速度会随着速度的升高而逐渐减小，速度最大时，加
速度为 0，故加速度的可控性较差。
如图 2.7(c)所示，梯型加减速方案在启动和停止阶段的加速度始终不变，速度曲
线为梯形，是工控领域使用最多的速度控制策略之一。由于该方案的加速度变化不
连续，在速度过渡时会出现加速度突变，所以容易给负载造成一定的冲击。但梯形
曲线运动过程和离散化递推关系式较为简单，所以编程容易，代码运算时间短，控
制实时性优越，因此本课题选择梯型加减速方案以减小系统在启动和停止阶段造成
的冲击。

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供电电路正确与否关系到整个系统的运行效果。为了减小电机对控制信号的干
扰，伺服控制系统的 5V控制电路供电与 24V电机供电两部分采取分开供电的方式。
对于 24V 电机供电，控制器上只预留带有可恢复保险丝的过载保护电路接口，保护
电路如图 3.6(a)所示。5V 控制电路供电经过防反接保护电路后，再接入如图 3.6(b)所
示的 SGM6332 降压转换电路。
降压转换芯片 SGM6332 通过控制电流来调节输出电压的大小。芯片内部一个运
算放大器的输出端口与芯片的补偿引脚 COMP 连接，反向输入端口与芯片的输出电
压反馈引脚 FB 连接，再与两引脚之间的反馈电路组成误差放大器。由R ?? 和R ?? 组成
的分压器与 FB引脚连接以实现对输出电压的采样，其中R ?? 连接 FB和 GND， R ?? 连
接 FB 和电压输出节点，两电阻的取值可由

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