一、选题背景
随着自动化和智能制造的发展，电机运动控制系统在工业生产、数控机床、机械臂以及精密定位等场景中得到广泛应用。传统的电机控制方案多依赖专用控制卡或高成本伺服系统，系统复杂、扩展性差且价格较高。
基于 STM32 系列单片机的运动控制系统，凭借其高速运算能力、丰富的外设接口（Ethernet、CAN、RS485、PWM、ADC 等）以及较低的成本，成为构建中小型电机控制系统的理想选择。通过灵活的软件设计与模块化硬件架构，可以实现低成本、高可靠性、可扩展的分布式控制系统。因此，本课题拟设计并实现一套基于 STM32 的电机运动控制系统，实现双轴运动控制、以太网通信、IO输入输出与多协议接口扩展。系统通过网络调试助手作为上位机工具，实现命令发送与状态监控，无需额外开发上位机软件，具有良好的可移植性与实用性。
二、主要内容
本设计以 STM32F407ZGT6为核心控制芯片，构建一套集运动控制、通信交互、安全保护与IO扩展于一体的模块化系统。系统设计内容包括：
- 硬件设计部分
主控模块：采用 STM32F407ZGT6，负责电机控制与通信任务。
电源模块：输入电压范围 3.2--35V，带防反接、过压、过流保护。
运动控制接口：
两路脉冲轴通道（脉冲、方向、正交编码器、使能信号）；
支持双轴直线插补与圆弧插补运动。
IO接口模块：
8 路输入、8 路输出，光耦隔离设计，支持急停、限位、报警灯接口。
通信与扩展模块：
Ethernet 接口：与电脑通过网络调试助手进行通信；
RS485 接口：用于输入输出 IO 扩展；
CAN 接口：用于设备间交互通信。
指示与调试模块：电源指示灯、程序心跳灯、串口调试接口。
- 软件设计部分
采用 FreeRTOS 或裸机结构进行多任务管理；
设计 Ethernet 通信协议，支持上位机通过网络调试助手发送控制指令（如 IO 控制、轴运动指令、系统状态查询等）；
实现双轴插补算法（直线插补与圆弧插补），实现精确的双轴协同运动；
实现 IO 状态检测与输出控制逻辑；
完成 CAN 与 RS485 通信驱动，支持扩展模块实时通信；
加入系统保护与状态指示机制（急停、限位、报警等）。
- 系统测试与验证
使用网络调试助手作为上位机控制终端，通过 Ethernet 发送控制命令；
监控系统状态反馈与 IO 状态变化；
验证双轴运动精度、通信可靠性及保护机制功能。
三、预期成果与表现形式
- 预期成果
设计并实现一套 基于 STM32F407ZGT6 的电机运动控制系统，包括硬件电路和嵌入式软件。
系统具备以下功能：
双轴脉冲控制与编码器反馈；
直线与圆弧插补算法；
Ethernet 网络通信与上位机命令交互；
IO 输入输出与扩展功能；
系统保护与运行状态指示。
完成系统调试与实物样机搭建，并通过网络调试助手实现远程控制与监控。
输出硬件原理图、PCB、电机控制程序及系统调试报告。
- 表现形式
实物样机：展示双轴控制板，通过网络调试助手实现命令下发与运动演示；
实验演示：验证通信功能、运动插补精度、限位及急停响应；
技术文档：提交系统设计说明书、软件流程图、测试结果及总结报告；
运行演示视频：展示系统通过网络调试工具进行运动控制的全过程。