基于STM32的步进伺服张力控制系统设计_开题报告

1、STM32单片机概述

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex®-M0，M0+，M3, M4和M7内核。按内核架构分为不同产品:主流产品(STM32F0、STM32F1、STM32F3)、超低功耗产品(STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+)、高性能产品(STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7)。STM32系列高处理速度产品是ST公司近几年推出的一系列用来取代51系列和所有低端单片机的新型处理器，内置资源丰富。

一般，STM32都会配备常见外设，诸如多通道ADC,通用定时器，I2C总线接口，SPI总线接口，CAN总线接口，USB控制器，实时时钟RTC等。但是，它的每一个外部设备都具有独特之处。例如，12位精度的ADC具备多种转换模式，并带有一个内部温度传感器，带有双ADC的STM32器件，还可以使两个ADC同时工作，从而衍生出了更为高级的9种转换模式；STM32的每一个定时器都具备4个捕获比较单元，而且每个定时器都可以和另外的定时器联合工作以生成更为精密的时序；STM32有专门为电机控制而设的高级定时器，带有6个死区时间可编程的PWM输出通道，同时其带有的紧急制动通道可以在异常情况出现时，强迫PWM信号输出保持在一个预订好的安全状态；SPI接口含有一个硬件CRC单元，支持8位字节和16位半字数据的CRC计算。在对SD或MMC等存储介质进行数据存取时相当有用。

而且，STM32还包含了7个DMA通道。每个通道都可以用来在设备与内存之间进行8位，16位，32位数据的传输。每个设备都可以向DMA控制器请求发送或者接收数据。STM32内部总线仲裁器和总线矩阵将CPU数据接口和DMA通道之间的连接大大的简化了，这就意味着DMA通道单元是很灵活的，其使用方法简单，足以应付微控制器应用中常见的数据传输要求。

2、步进电机及驱动器概述

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的、多相时序控制电流。用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作。驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规条件下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

3、张力器的国内外研究现状

在工业生产中，一些带状和线状类的产品，经常需要控制张力来达到生产要求，张力控制器就是控制这类张力的一种装置。张力控制系统往往是张力传感器和张力控制器的一种系统集成，目前主要应用于冶金，造纸，薄膜，染整，织布，塑胶，线材等设备上，是一种实现恒张力或者锥度张力控制的自动控制系统，其作用主要是实现辊间的同步，收卷和放卷的均匀控制。

在绕制电子线圈类产品时，张力器存在的目的是为了保证线圈缠绕过程中得到要求的张紧力，使绕制的线圈松紧合适，从而确保线长度和电阻值等达到设计的技术参数要求。随着国民经济的发展，自动化生产技术不断进步，线圈产品的品质不断提升，传统的永磁式张力器和机械式张力器由于其局限性，逐渐不能适应于产品的发展而被电子张力器和伺服张力器替代。其中电子张力器依然采用的是传统的恒转矩被动送线模式，而伺服张力器采用的却是主动送线模式，可有效避免将线拉细或拉断。伺服张力器的主动送线工作模式与其他形式的被动送线张力器相比，具有张力输出平稳恒定的特点，解决了张力器张力稳定性差、断线频率高的缺陷。因此，在高品质的线圈绕制过程中，伺服张力器必然是首选。

目前，市面上常见的伺服张力器有交流伺服张力器、低压直流伺服张力器等，而驱动步进电机的张力控制系统与驱动低压直流伺服电机或交流伺服电机的张力控制系统相比，具有成品张力器性能差别不大，但成本更低、控制更简单等特点。在实际生产中，较低的成本更容易被各使用企业所接受，因此具有很高的研究价值和市场意义。

现阶段，国内有代表性的张力器研究及生产厂家主要是以下的这些企业单位：东莞张力机电，主要以线圈类产品的电子张力器研发生产为主；杭州千和，主要以线圈类产品的机械式张力器和低压直流伺服张力器研发生产为主；苏州创易，主要是线圈类产品的低压直流伺服张力器和交流伺服张力器的研发生产等。国外有代表性的张力器研究及生产厂家：日本三菱，涉及行业种类比较多，但主要是线圈类产品以外的带状产品的张力器研发生产等，有磁粉制动器的张力器、变频器矢量电机张力器、交流伺服电机张力器等。

除了以上几个代表性的企业，也有一部分有张力控制需求的生产企业在自主研发张力器，但主要是机械式张力器为主，也有小量的电子张力器和交流伺服电机张力器，但是都不够成熟，没什么市场竞争力。在2016年左右，苏州创易开始进行步进伺服张力器的研发生产工作，目前只是小批量投放市场。

总体而言，在现阶段，以步进电机为张力输出的伺服张力器市场刚起步，有着很大的空白，各研究单位可以有着不同的研究方案，但是步进伺服张力器的过线机构和步进电机都是标准化的，不会有太大区别，所以，步进伺服张力器的控制系统就是各研究单位的最大区别，能否以更优的效果、更低的价格开发出一款步进伺服张力控制系统才是步进伺服张力器的的关键。而STM32单片机具有功能配置丰富，价格低等特点，自然也就成为了各研究单位的首选。

B. ^范文提纲

一、STM32单片机的主控电路

（一）、电源电路功能单元的设计

（二）、STM32单片机最小系统电路的研究及应用

（三）、STM32单片机输入及输出接口硬件电路设计

（四）、STM32单片机的传感器模拟量信号接口电路设计

二、两相步进电机驱动电路

（一）、两相步进电机及驱动器的工作原理研究应用

（二）、以STK672或SLA7026M步进驱动芯片为基础的驱动电路设计

三、步进伺服张力控制系统

（一）、步进伺服张力控制系统的控制方案研究

（二）、步进伺服张力控制系统的功能框图

C. 参考文献

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