你的浏览器版本过低,可能导致网站不能正常访问!
为了你能正常使用网站功能,请使用这些浏览器。

【经验分享】STM32F103单片机使用ULN2003驱动步进电机

[复制链接]
STMCU小助手 发布时间:2022-3-20 13:49
最近整理东西,突然发现以前买的一个步进电机模块,以前使用5V单片机驱动的。突然想试试能不能用STM32F103单片机的3.3V直接驱动ULN2003这个芯片。

}HI{~3AO$})8UB}4SOZ5GCU.png

试了一下ULN2003可以用3.3V电压直接驱动。下面分享下电机驱动的过程。

先看看实物图

7G{H$MHGX5MSLDZ%C_D6A%4.png

单片机使用的是STM32F103C8T6最小系统。电机和驱动板是网上买的整套模块。

驱动板的原理图如下

OC0)49TZV$`SY)T_~@EHLN4.png

        步进电机使用的是5线4相直流减速步进电机   直径:28mm  电压:5V  步进角度:5.625 x 1/64  减速比:1/64

       步距角:5.625 / 64 = 0.087度 (也就是说理论上,你给一个脉冲,电机外部轴转动0.087度)也就是说一个脉冲内部转子转5.625度,但是由于减速64倍,所以外部轴只转了0.087度那么外部轴要转一圈的话,需要360/0.087=4096个脉冲。采用4相8拍驱动的话,8个脉冲是一个周期,那么就需要4096/8=512个周期,外部轴刚好转一圈。

    电机的驱动一般分为3种方法

    一.  1相励磁法:每一瞬间只有一个线圈相通,其它休息。

          (优点)简单,耗电低,精确性良好。

         (缺点)力矩小,振动大,每次励磁信号走的角度都是标称角度。  1相励磁法  A->B->C->D

   二、 2相励磁法:每一瞬间有两个线圈导通。

         (优点)力矩大,震动小。

         (缺点)每励磁信号走的角度都是标称角度。2相励磁法  AB->BC->CD->DA

   三、 1-2相励磁法:1相和2相交替导通。

           (优点)精度较高,运转平滑,每送一个励磁信号转动1/2标称角度,称为半步驱动。(前两种称为4相4拍,这一种称为4相8拍)

            1-2相励磁法  A-->AB-->B->BC->C-->CD->D-->DA

下面就用代码来实现这三种方式

       ULN2003这个小驱动板上IN1、IN2、IN3、IN4四个插针和单片机的 IO口直接用杜邦线连接,为了方便控制,首先定义好要使用的 IO口。就直接在LED的工程上修改。

       首先新建一个bsp_motor.h的头文件,在头文件里面进行端口声明。

  1. #define LA    PBout(6)                         //A 相
  2. #define LB    PBout(7)                         //B 相
  3. #define LC    PBout(8)                         //C 相
  4. #define LD    PBout(9)                         //D 相

  5. /* 定义电机连接的GPIO端口, 用户只需要修改下面的代码即可改变控制电机的引脚 */
  6. #define LA_GPIO_PORT            GPIOB                                /* GPIO端口 */
  7. #define LA_GPIO_CLK             RCC_APB2Periph_GPIOB                /* GPIO端口时钟 */
  8. #define LA_GPIO_PIN                        GPIO_Pin_6

  9. #define LB_GPIO_PORT            GPIOB
  10. #define LB_GPIO_CLK             RCC_APB2Periph_GPIOB
  11. #define LB_GPIO_PIN                    GPIO_Pin_7

  12. #define LC_GPIO_PORT            GPIOB
  13. #define LC_GPIO_CLK             RCC_APB2Periph_GPIOB
  14. #define LC_GPIO_PIN                    GPIO_Pin_8

  15. #define LD_GPIO_PORT            GPIOB
  16. #define LD_GPIO_CLK             RCC_APB2Periph_GPIOB
  17. #define LD_GPIO_PIN                    GPIO_Pin_9
复制代码

       这里使用PB口的6、7、8、9四个端口来控制,端口使用了位带定义的方法,这样用程序控制起来更方便。关于位带定义可以自己查阅相关资料。端口和时钟都使用了宏定义重新命名。这样以后需要更改IO口的时候,只需要在头文件中更改,不需要更改程序中的代码,方便程序移植。  

      下面开始编写驱动代码,首先使用1相励磁法,也就是使4个IO口轮流为高电平,可以直接使用位带操作,依次给LA、LB、LC、LD给高电平。但是这样写的话每一种驱动方式都要写一个驱动函数,为了使操作起来更方便,将这4个口的值组成一个字节,并存在数组中,通过下标轮流调用数组中的数就行。这里将LA作为字节得最低位bit0,将LD作为字节第3位bit3。

       这样电机导通相序为  D-C-B-A时,定义数组中的值为

  1. u8 phasecw[4] = {0x08, 0x04, 0x02, 0x01};
复制代码

       电机导通相序为   A-B-C-D 是,数组中的值为

  1. u8 phaseccw[4] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08};
复制代码

下面新建bsp_motor.c文件,并在里面编写一个函数来调用这个数组就行了

  1. void MotorCW( void )
  2. {
  3.     u8 i;
  4.     u8 temp = 0;
  5.     for( i = 0; i < 4; i++ )
  6.     {
  7.         temp = phasecw;

  8.         LD = ( temp >> 3 ) & 0x01;                                                        //取bit4的值
  9.         LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;
  10.         LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;
  11.         LA = ( temp >> 0 ) & 0x01;                                                        //取bit0的值
  12.         delay_ms( 2 );                                                                                 
  13.     }
  14. }
复制代码

        通过一个for循环,依次读取数组中的值,然后根据A、B、C、D四相的位置,去读取对应位的值,直接赋值给 IO口。这样电机驱动的函数就写好了,在主程序中直接调用这个函数就可以控制电机转动了。

       如果要改成 2相励磁法驱动的话,直接替换数组中的数据就行。

  1. u8 phasecw[4] = {0x0c, 0x06, 0x03,0x09};   //正转 电机导通相序  DC-CB-BA-AD
  2. u8 phaseccw[4] = {0x03, 0x06, 0x0c, 0x09}; //反转 电机导通相序  AB-BC-CD-DA
复制代码

       如果要改成 1-2相励磁法,依然是直接修改数组中的值就行。

  1. u8 phasecw[8] = {0x08, 0x0c, 0x04, 0x06, 0x02, 0x03, 0x01, 0x09}; //正转 电机导通相序  D-DC-C-CB-B-BA-A-AD
  2. u8 phaseccw[8] = {0x01, 0x03, 0x02, 0x06, 0x04, 0x0c, 0x08, 0x89}; //反转 电机导通相序  A-AB-B-BC-C-CD-D-DA
复制代码

      通过 1-2相励磁法控制的话,每次需要发送8个脉冲,也就是4相8拍,这样一个周期需要发送8个数组,要在for循环中将循环数量改为8。

  1. void MotorCW( void )
  2. {
  3.     u8 i;
  4.     u8 temp = 0;
  5.     for( i = 0; i < 8; i++ )
  6.     {
  7. <i>        temp = phasecw;
  8.         LD = ( temp >> 3 ) & 0x01;                                                        //取bit4的值
  9.         LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;
  10.         LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;
  11.         LA = ( temp >> 0 ) & 0x01;                                                        //取bit0的值
  12.         delay_ms( 2 );                                                                                 
  13.     }
  14. }</i>
复制代码

然后在主程序中直接调用这个函数就可以让电机转起来了。

  1. int main( void )
  2. {

  3.     NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );

  4.     Motor_GPIO_Config();
  5.     while ( 1 )
  6.     {      
  7.       MotorCW();   
  8.     }
  9. }
复制代码

这样看来驱动电机是很简单的用keil模拟的仿真波形

1相励磁法  D-C-B-A

R89{PK}`IEAGA1HLA${57(7.png

2相励磁法 DC-CB-BA-AD

AGJKC7@8]J%@`[_LV@0G2[R.png

1-2相励磁法 D-DC-C-CB-B-BA-A-AD

BI87(4}E4[4GK7UWWL4SQ$R.png

波形和理论相符,说明驱动是正确的。

到这里应该就结束了,但是又手贱的给主程序加了个LED闪灯的程序,这一加出事了。

  1. int main( void )
  2. {
  3.     u16 cnt = 0;
  4.     NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );
  5.     LED_GPIO_Config();
  6.     Motor_GPIO_Config();
  7.     while ( 1 )
  8.     {
  9.         LED1_TOGGLE;
  10.         MotorCW();
  11.             delay_ms(20);
  12.     }
  13. }
复制代码

主程序中加了一个20ms的延时,同时让LED灯翻转。程序烧进去之后,发现电机不转了。这是怎么回事?赶紧看看仿真波形。

{XC44]]99JQ3{FJLJ[6]`7K.png

       这一看发现了问题,A项的波形怎么高电平突然变长了?

  1. u8 phasecw[4] = {0x08, 0x04, 0x02, 0x01};
复制代码

        数组中依次给的值是8、4、2、1,也就是D、C、B、A相依次为高电平,其他三相高电平只持续了2ms,但是A相的电平持续了20多ms,这是什么原因?仔细分析程序执行流程后发现了问题所在。在for循环中依次给4个相赋值,A相位最后一个赋值,当给A项赋值时,其他3项为低电平,A项为高电平,然后程序退出for循环,回到主程序中,此时又执行了20ms的延时,这时A项的电平还是最后一次赋值的高电平。将这20ms延时去掉后,电机正常运转,波形也正常了。也就是说就是这个延时影响了电机的转动。

       那么主程序中就不能用延时了吗?LED闪烁功能都实现不了了吗?还能让一个电机驱动程序把单片机霸占了不成?这当然是不行了,一定要将这个问题的根源找到,既然是最后一次给A项赋值后,A项高电平没有复位,那么就手动让A项复位。强制让A项的电平归零。

    在增加一个复位的函数

  1. void MotorStop( void )
  2. {
  3.     LA = 0;
  4.     LB = 0;
  5.     LC = 0;
  6.     LD = 0;
  7. }
复制代码

      这个函数强制的将四相复位,然后在电机驱动的时候,每次执行完一个周期,就强制让这4项复位。

  1. void MotorCW( void )
  2. {
  3.     u8 i;
  4.     u8 temp = 0;
  5.     for( i = 0; i < 4; i++ )
  6.     {
  7.         temp = phasecw;

  8.         LD = ( temp >> 3 ) & 0x01;                                                        //取bit4的值
  9.         LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;
  10.         LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;
  11.         LA = ( temp >> 0 ) & 0x01;                                                        //取bit0的值
  12.         delay_ms( 2 );                                                                                                         
  13.     }
  14.     MotorStop(); //一个周期转动结束后需要复位所有相,否则最后一项如果被设置为高电平后会持续维持高电平。
  15. }
复制代码

     增加复位功能后,主程序中依然加上20ms延时,继续仿真查看波形。

~O(]I`L[}VLQAD_HBB4[}VS.png

        这下波形正常了,下载程序后电机也缓慢转动起来了,LED灯也开始闪烁了。说明刚开始驱动时只想到了相位的逻辑,但是没有考虑到相位复位的问题,考虑问题还是不全面。

       下来在主程序中加上电机正反转功能,让电机正转一圈,然后又反转一圈。

  1. int main( void )
  2. {
  3.     u16 cnt = 0;
  4.     NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );
  5.     LED_GPIO_Config();

  6.     Motor_GPIO_Config();
  7.     while ( 1 )
  8.     {
  9.         cnt++;

  10.         if( cnt <= 512 )                                                        //采用4相8拍,512个周期刚好是一圈
  11.             MotorCW();                                                                //正转
  12.         else if( cnt <= 1024 )
  13.             MotorCCW();                                                                //反转
  14.         else
  15.         {
  16.             cnt = 0;
  17.             LED1_TOGGLE;
  18.             delay_ms( 500 );
  19.         }
  20.     }
  21. }
复制代码

       这里采用4相8拍驱动,8个脉冲是一个周期,那么就需要4096/8=512个周期,外部轴刚好转一圈。计数器小于512时正转,计时器在512和1024之间时反转。然后LED灯翻转一次,在延时500ms。 这里还要注意一个问题,在电机驱动函数中,每个脉冲的延时时间经过实际测试不能小于2ms,延时太小的时候,电机抖动严重,但是不会转动。延时越大,电机转动越慢。

     到此电机驱动程序已经完美运行了。


收藏 评论0 发布时间:2022-3-20 13:49

举报

0个回答

所属标签

相似分享

官网相关资源

关于
我们是谁
投资者关系
意法半导体可持续发展举措
创新与技术
意法半导体官网
联系我们
联系ST分支机构
寻找销售人员和分销渠道
社区
媒体中心
活动与培训
隐私策略
隐私策略
Cookies管理
行使您的权利
官方最新发布
STM32N6 AI生态系统
STM32MCU,MPU高性能GUI
ST ACEPACK电源模块
意法半导体生物传感器
STM32Cube扩展软件包
关注我们
st-img 微信公众号
st-img 手机版