利用STM32F103精确控制步进电机

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STMCU-管管发布时间：2021-6-25 13:30

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文章简介:	利用STM32F103精确控制步进电机

利用STM32F103精确控制步进电机

一、用到的元器件
STM32F103C8T6
42步进电机（42SHDC4040-17B）
TB6600电机驱动器升级版

二、42步进电机
1.步进电机的基本知识
（1）拍数——每一次循环所包含的通电状态数（电机转过一个齿距角所需脉冲数）
（2）单拍制分配方式——状态数=相数
（3）双拍制分配方式——状态数=相数的两倍
（4）步距角 ——步进机通过一个电脉冲转子转过的角度

N:一个周期的运行拍数
Zr：转子齿数
拍数：N=km
m:相数
k=1单拍制
k=2双拍制
（5）转速

（6）角度细分的原理

电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。
当通电相的电流并不马上升到位，而断电相的电流也非立即降为0时，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置是在原来的步距角范围内。
2. 42步进电机参数
无法查找到42SHDC4040-17B型号的详细资料，以通用42步进电机为例：
步距角 1.8°
步距角精度 ±5%
相数 2相
励磁方式混合式
转子齿数 50
拍制双拍制
其他参数：无
由步距角=1.8°推算出转子齿数为50，拍制为双拍制

3. 42步进电机速度与角度控制
电机的转速与脉冲频率成正比，电机转过的角度与脉冲数成正比。所以控制脉冲数和脉冲频率就可以精确调速。
理论上步进电机转速 = 频率 * 60 /((360/T)*x)

转速单位：转/ 分
频率单位：赫兹
x 细分倍数
T 步距角
例如，在本实验中，32细分；频率72000 赫兹；步距角1.8°；套用公式72000 ∗ 60 ( ( 360 / 1.8 ) ∗ 32 ) = 112.5 \frac{72000*60}{((360/1.8)*32)}=112.5
((360/1.8)∗32)
72000∗60

=112.5rad/ min，即1.875 rad/s.

三、TB6600电机驱动器升级版参数
TB6600步进电机驱动器升级版是一款专业的两相步进电机驱动，可实现正反转控制。通过S1,S2,S3 3位拨码开关选择7档细分控制(1,2/A,2/B,4,8,16,32,)，通过S4,S5,S6 3位拨码开关选择8 档电流控制（0.5A，1A，1.5A，2A，2.5A，2.8A,3.0A,3.5A）。适合驱动57,42 型两相、四相混合式步进电机。

1.信号输入端
PUL+：脉冲信号输入正。( CP+ )
PUL-：脉冲信号输入负。( CP- )
DIR+：电机正、反转控制正。
DIR-：电机正、反转控制负。
EN+：电机脱机控制正。
EN-：电机脱机控制负。

共阳极接法：分别将PUL+，DIR+，EN+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8—15mA 的驱动电流。
共阴极接法：分别将 PUL-，DIR-，EN-连接到控制系统的地端；脉冲输入信号通过PUL+接入，方向信号通过DIR+接入，使能信号通过EN+接入。若需限流电阻，限流电阻R的接法取值与共阳极接法相同。
注：EN端可不接，EN有效时电机转子处于自由状态（脱机状态），这时可以手动转动电机转轴。
2.电机绕组连接
A+：连接电机绕组A+相。
A-：连接电机绕组A-相。
B+：连接电机绕组B+相。
B-：连接电机绕组B-相。

3.电源电压连接
VCC：电源正端“+”
GND：电源负端“-”
注意：DC直流范围：9-32V。不可以超过此范围，否则会无法正常工作甚至损坏驱动器.

4.拨码开关

电流大小设定

三、STM32F103
------说明：引脚部分在文章末尾有解释--------

1.引脚连接
A 0——PUL+
A 3——KEY1——V3
A12——DIR+
A11——EAN+
GND——EAN- ——KEY0

2.引脚功能
A0控制电机转速
A3控制按键
A9
A11
A11控制电机是否为锁死状态
A12控制电机正反转

3.定时器
1.本实验利用定时器TIM2和定时器TIM3构造一个主从定时器，TIM2作为主定时器控制电机的转速，TIM3作为从定时器控制电机的转动角度。
2.电机的转速和转角还与驱动器自身的细分数有关，但是驱动器细分数是通过影响电机的步距角来影响转速和转角，而TIM2和TIM3是控制步进电机的频率和脉冲数来控制转速转角
3.电机的转速和角度与定时器的关系（在不考虑电机自身的细分数下）

设TIM2的定时周期（即重装值）为nPDTemp2,预分频值为OCPolarity2
TIM3的定时周期（即重装值）为nPDTemp3,预分频值为OCPolarity3,
则单片机产生一个脉冲所需要的时间为:

本实验中设TIM2的定时周期nPDTemp2=72000/5000-1，预分频值OCPolarity2=999，TIM3的定时周期nPDTemp3=6399,预分频值OCPolarity3为0。即

定时器共产生nPDTemp3+1=6400个脉冲，电机转过的角度为6400*1.8°=11520°，即电机转了32圈。
转动速度

4.在32细分的情况下电机1rad/s和转1°需要的重装值为nPDTemp2=11.25，nPDTemp3=17.7778。

四、程序实现
1.main.c程序

#include "main.h"
#include "sys.h"
#include "usart1.h"
#include "delay.h"
#include "math.h"
u16 t;
u16 len; //接收到的数据长度
u16 times=0;
char receive_data[60]; //接收到的字符
char state; //电机正反转标志位0正转，1反转
int speed,angle; //旋转速度，角度
int a=0; //判断是否接收到数据
int r,data=0; //用于数据转换
int type; //转换后的数据
extern u16 USART_RX_STA;
/**************************
* 函数名：delay
* 描述：延时函数
* 输入：无
* 输出：无
* 返回值：无
****************************/
void delay()//延时
{
int i,j;
for(i=0;i<2000;i++)
for(j=0;j<1000;j++);
}
/**************************
* 函数名：Waiting_receptio
* 描述：等待串口接收数据
* 输入：无
* 输出：无
* 返回值：无
****************************/
void Waiting_reception(void)
{
while(a==0)//等待数据发送完成
{
delay_ms(100);
if(a==1)//接收到数据
{
if(USART_RX_STA&0x8000)//（串口接收用到了正点原子的例程）
{
len=USART_RX_STA&0x3fff;//得到此次接收到的数据长度
r=len;
type=0;
for(t=0;t<len;t++)//拷贝数据,将字符转换为十进制数
{
receive_data[t]=USART_RX_BUF[t];
data=(int)receive_data[t]-48;
r=r-1;
type=type+data*(pow(10,r));
}
USART_RX_STA=0;
a=0;
delay_ms(500);
break;
}
}
}
}
/**************************
* 函数名：KeyStates
* 描述：监测按键状态
* 输入：无
* 输出：无
* 返回值：0/1
****************************/
u8 KeyStates()//按键状态
{
static u8 i = 0;
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_3)==0)
{
delay();
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_3)==0)
while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_3)==0);
i = ~i;
}
return i;
}
/****************
* 函数名：main
* 描述：主函数
* 输入：无
* 输出：无
******************/
int main(void)
{
NVIC_Configuration(); //中断初始化
GPIO_Config(); //IO口初始化
USART1_Config(); //串口初始化
delay_init(); //延时函数初始化
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_11);//A11置零 A11——EAN+
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_12);//A12置零 A12——DIR+
while(1)
{
delay_ms(100);
Initial_state: printf("\r\n 请选择正反转，正转输入0，反转输入1 （以新行作为结束标志）\r\n");
Waiting_reception();
state=type;//将接收到的数据给type
if(type==0)//电机正转
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_12);//电机正转
printf("\r\n 电机为正转模式，请输入旋转速度（rad/s），输入0返回初始模式 \r\n");
/*********************************************此模块用于配置速度参数********************************************************/
part1:Waiting_reception();
speed =type;//将接收到的数据给speed
if(speed==0)goto Initial_state;//如果是0则返回初始模式
else{
if(speed>=15)
{
printf("\r\n 旋转速度>15rad/s，请重新选择旋转速度。\r\n");
goto part1;
}
else printf("\r\n 电机旋转速度为%d rad/s，请输入旋转角度，输入0返回初始模式 \r\n",speed);
}
/*********************************************此模块用于配置角度参数********************************************************/
Waiting_reception();
angle =type;//将接收到的数据给type
for(;;)
{
if(angle>0)//接收到的数据不是0
{
TIM2_Master__TIM3_Slave_Configuration(speed,angle); // 配置TIM2和TIM3的重装值 ,改变电机转动速度和角度
delay_ms(20000);//电机保护
printf("\r\n 电机已旋转%d °，请输入下一次旋转角度，输入0返回初始模式； \r\n",angle);
angle=0;
Waiting_reception();
angle =type;
}else{
if(angle==0)goto Initial_state;//返回初始状态
else {
printf("\r\n 角度错误，已返回初始模式 \r\n");
goto Initial_state;
}
}
}
}
/*********************************************反转模式********************************************************/
else{
if(type==1)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_12);//电机反转
printf("\r\n 电机为正转模式，请输入旋转速度（rad/s），输入0返回初始模式 \r\n");
/*********************************************此模块用于配置速度参数********************************************************/
part2: Waiting_reception();
speed =type;//将接收到的数据给speed
if(speed==0)goto Initial_state;//如果是0则返回初始模式
else{
if(speed>=15)
{
printf("\r\n旋转速度>15rad/s，请重新选择旋转速度。\r\n");
goto part2;
}else printf("\r\n 电机旋转速度为%d rad/s，请输入旋转角度，输入0返回初始模式 \r\n",speed);
}
/*********************************************此模块用于配置角度参数********************************************************/
Waiting_reception();
angle =type;//将接收到的数据给type
for(;;)
{
if(angle>0)//接收到的数据不是0
{
TIM2_Master__TIM3_Slave_Configuration(speed,angle); // 配置TIM2和TIM3的重装值 ,改变电机转动速度和角度
delay_ms(20000);//电机保护
printf("\r\n 电机已旋转%d °，请输入下一次旋转角度，输入0返回初始模式；\r\n",angle);
angle=0;
Waiting_reception();
angle =type;
}else{
if(angle==0)goto Initial_state;//返回初始状态
else {
printf("\r\n 角度错误，已返回初始模式 \r\n");
goto Initial_state;
}
}
}
/****************************************************************************************************************************/
}else{//if(a!=0)&(a!=1)
type=NULL;
printf("\r\n 输入无效 \r\n");
goto Initial_state;//返回初始状态
}
}
}
}

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2.main.h程序

#ifndef _MAIN_H
#define _MAIN_H
#include <stm32f10x.h>
#include <usart1.h>
#include <misc.h>
#include <nvic.h>
#include <stdio.h>
#include "stm32f10x_tim.h"
#include "timer.h"
#endif

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3.time.c程序

#include "timer.h"
/**************************
* 函数名：GPIO_Config
* 描述：无
* 输入：无
* 输出：无
* 调用：主函数
* 返回值：无
****************************/
void GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE); //使能IOA
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2 | RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //使能TIM2，TIM3
/* Timer2 Channel 1, PA0 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //通用推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //指定GPIO引脚可输出的最高频率为50MHZ
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭，方向
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭使能
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_11);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭，方向
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_12);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭使能
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //通用推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //指定GPIO引脚可输出的最高频率为50MHZ
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //通用推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //指定GPIO引脚可输出的最高频率为50MHZ
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭使能
//GPIO_ResetBits GPIO_SetBits
}
//================================================================================
/**************************
* 函数名：TIM2_Master__TIM3_Slave_Configuration
* 描述：主从定时器配置
* 输入：电机转速speed,转角angle
* 输出：无
* 调用：主函数
* 返回值：无
****************************/
void TIM2_Master__TIM3_Slave_Configuration(u32 PulseFrequency, u32 pulse)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
u16 nPDTemp ;
u16 pulse_number;
float p=PulseFrequency;
TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
nPDTemp = (11.25/p); //TIM2重装值是11.25时1s转一圈(电机32细分下)
pulse_number = (16.7778*pulse);//TIM3重装值是16.7778时转1°(电机32细分下)
// 时基配置：配置PWM输出定时器——TIM2
/* Time base configuration */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = nPDTemp; //定时周期为nPDTemp
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 999; //预分频值1000，即f=72khz
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //时钟分频因子，会影响滤波器采样频率，与本实验无影响
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //指定重复计数器值
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
// 输出配置：配置PWM输出定时器——TIM2
/* PWM1 Mode configuration: Channel1 */
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //TIM 脉冲宽度调制模式 1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //高电平有效
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //使能输出
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = nPDTemp>>1;//50% //比较tim_ccr的值，输出脉冲发生跳变
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //初始化
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); //使能 TIMx 在 CCR1 上的预装载寄存器
TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE); //使能或者失能 TIMx 在 ARR 上的预装载寄存器
// 时基配置：配置脉冲计数寄存器——TIM3
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = pulse_number; //0x1900是360°;//改变给电机的脉冲个数
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
// 输出配置：配置输出比较非主动模式定时器——TIM3
// Output Compare Active Mode configuration: Channel1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Inactive; //输出比较非主动模式，(匹配时设置输出引脚为无效电平，当计数值为比较/捕获寄存器值相同时，强制输出为低电平)
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0xFFFF; // 这里的配置值意义不大
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
// 配置TIM2为主定时器
// Select the Master Slave Mode
TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM2, TIM_MasterSlaveMode_Enable); //设置 TIM2 主/从模式并使能
// Master Mode selection
TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update); //使用更新事件作为触发输出
// 配置TIM3为从定时器
// Slave Mode selection: TIM3
TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Gated); //选择 TIM3为从模式 TIM_SlaveMode_Gated-当触发信号（TRGI）为高电平时计数器时钟使能
TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_ITR1); //选择 TIM3 输入触发源 TIM_TS_ITR1-TIM 内部触发 1
TIM_ITRxExternalClockConfig(TIM3, TIM_TS_ITR1);//设置 TIM3 内部触发为外部时钟模式 TIM_TS_ITR1-TIM 内部触发 1
TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE); //使能TIM3 TIM 捕获/比较 1 中断源
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}
/****************************************************
* 函数名：Output_Pulse
* 描述：无
* 输入：无
* 输出：无
* 返回值：无
******************************************************/
void Output_Pulse(u16 Num)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭使能
TIM3->CCR1 = Num;
TIM3->CNT = 0;
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
/****************************************************
* 函数名：angle_set
* 描述：无
* 输入：无
* 输出：无
* 返回值：无
******************************************************/
void angle_set(u8 dir,u8 angle)
{
if(dir==0)
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭，方向
else
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);//指定引脚输出低电平，此时灯全灭，方向
Output_Pulse(angle*6400);
}

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4.time.h程序

#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
#include "main.h"
extern unsigned char Flag;
extern unsigned char TIM2_Pulse_TIM3_Counter_OK;
void GPIO_Config(void);
void TIM2_Master__TIM3_Slave_Configuration(u32 PulseFrequency,u32 pulse);
void Frequence_Setting(u32 PulseFrequency);
void Output_Pulse(u16 Num);
void angle_set(u8 dir,u8 angle);
#endif

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5.usart1.c程序

#include <main.h>
#include <usart1.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
/******************************************************
* 函数名：USART1_Config
* 描述：USART1 GPIO 配置,工作模式配置
* 输入：无
* 输出 : 无
* 调用：外部调用
***************************************************** */
void USART1_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/* config USART1 clock */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
/* USART1 GPIO config */
/* Configure USART1 Tx (PA.09) as alternate function push-pull */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/* Configure USART1 Rx (PA.10) as input floating */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/* USART1 mode config */
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
/******************************************************
* 函数名：fputc
* 描述：重定向c库函数printf到USART1
* 输入：无
* 输出：无
* 调用：由printf调用
***************************************************** */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
/* 将Printf内容发往串口 */
USART_SendData(USART1, (unsigned char) ch);
while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));
return (ch);
}
/*-------------------------------------------------------------------------------*/
/******************************************************
* 函数名：USART1_IRQHandler
* 描述：USART1中断服务函数
* 输入：无
* 输出：无
* 调用：中断调用
***************************************************** */
u8 Res;
extern int a;
u16 USART_RX_STA=0; //接收状态标记
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.
void USART1_IRQHandler(void) //串口1中断服务程序
{
Res =USART_ReceiveData(USART1); //读取接收到的数据
if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//接收未完成
{
if(USART_RX_STA&0x4000)//接收到了0x0d
{
if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收错误,重新开始
else USART_RX_STA|=0x8000; //接收完成了
}
else //还没收到0X0D
{
if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;
else
{
USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;
USART_RX_STA++;
if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//接收数据错误,重新开始接收
}
}
}
a=1;
}
#if SYSTEM_SUPPORT_OS //如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
OSIntExit();
#endif
/******************* (C) COPYRIGHT 2012 WildFire Team *****END OF FILE************/