STM32实例-步进电机的速度控制

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STMCU小助手发布时间：2023-1-3 17:34

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文章简介:	STM32实例-步进电机的速度控制

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项目需求

在制作一个使用全向轮的机器人底盘，对于全向轮，电机的精度是影响效果的重要因素。所以使用了步进电机，使用步进电机的优点是可以不使用编码器，开环控制即可达到高精度的效果。

% z5 _, J2 n0 K: s1 x4 ^$ B

调整占空比或者调整周期

众所周知，PWM有两个重要参数，周期与占空比。

步进电机的运动方式是，每收到一个脉冲,就旋转指定的角度。因此影响电机速度的唯一参数就是PWM的频率。以下附图两张来说明调整占空比与调整周期的区别。

( \, c; E% J# i% l: c2 a# q

周期固定，调整占空比

上图中有4个PWM，它们的周期是一样的，不同之处是拥有从80%至20%的占空比。可以看出，无论占空比为多少，在1s内，它们产生的高电平的数量是一样的，即无论占空比为多少，PWM的频率都一致。因此也就无法调整步进电机的速度。因为步进电机的速度仅与PWM的频率有关。

- |" Y F7 p) q7 T

占空比固定，调整周期

+ W4 { n4 q+ ~0 V! j* l

上图中有4个PWM，它们的占空比都固定为50%，却拥有不同的周期。可以看出，即使占空比固定，只要动态调整周期，PWM就能在相同时间内产生数量不同的脉冲。因此，固定占空比，动态调整PWM周期，即可达到控制步进电机速度的效果。

基于STM32的实现

在STM32F1中，定时器具有PWM模式，可以用来产生PWM。相关文章：STM32中PWM的配置与应用详解。但是，STM32的PWM模式，只要确定了时基单元(即确定了PWM周期)，改变输出比较寄存器，仅可改变PWM的占空比。

若需要改变PWM周期，需不停地改变定时器的时基单元。但时基单元与硬件相关，不适合频繁变更。因此，步进电机的调速，不适合使用STM32下定时器的PWM模式来控制。

在多方查找资料后，确定了一种利用输出比较精确控制PWM周期的方式。

! ]. B! l8 _% d `' B2 O

利用输出比较产生频率可变的PWM

利用输出比较产生频率可变的PWM，原理简单介绍如下：

首先配置定时器时基单元，确定脉冲最小长度单位CK。

然后开启定时器的输出比较，设置模式为翻转模式，并开启输出比较中断。

将定时器内计数器CNT当前值，加上脉冲长度X(单位为CK)，写入输出比较寄存器。

在X个CK后，将会触发输出比较中断。同时电平翻转。

在中断中再次将当前计数器CNT的值，加上脉冲长度X，写入输出比较寄存器。

在X个CK后，将会触发输出比较中断。同时电平翻转。

在中断中再次将当前计数器CNT的值，加上脉冲长度X，写入输出比较寄存器。

如此往复……

以此即可得到一个占空比为50%，周期为2X个CK的PWM。

% ~/ H, p0 M# p2 X

确定最小单位CK，配置时基单元

首先确定一个最小的间隔CK，规定PWM的高电平长度和低电平长度的单位都是CK。

即高电平的长度一定是CK的整数倍。低电平亦然。

然后配置定时器的时基单元，通过CK的长度确定预分频系数。

已知STM32F103的主频为72MHZ，则时基单元中预分频系数为

) r t @, ^, a

PSC = 72M / (1/CK)

例如，rtz所确定的CK长度为10us(0.00001s)，即可得出方程。

8 {! R& r6 u( l6 G) C: E% n3 Y

预分频系数确定为720后，由高速晶振产生的72MHZ的时钟信号被720分频，得到100000HZ的时钟信号。即时钟信号每秒变动100000次。每次10us。同时可将重装载值设定为0XFFFF（16位定时器的最大值）。因为本次使用的输出比较模式不使用更新中断，该值可随意设置。

2 p) I2 S* r% U; }

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0XFFFF;
; |. w2 j$ `+ c1 r+ [TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =720;
' ]" C4 w O% X$ y6 L; u3 ?# ITIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
2 e2 ^* U0 S+ Y& q1 M, NTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;0 g) d% c6 N. a& q! U& ^ s3 E
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

' `. l0 N8 u0 v0 A" K开启输出比较通道，设置输出比较模式为翻转模式，并配置NVIC，开启输出比较中断，配置输出比较通道：
% |1 e" H# S& dTIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle;1 R& Y$ f1 l3 b" a! l& g0 m
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;
" v+ n( g! Z& T, D* }+ m) }% {8 f2 xTIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;* f1 C! N7 I, i8 P8 d
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;. {' L5 B% ], y' i/ B W
TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
4 K+ M, R' h0 X: \TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
& X/ s5 t7 j" g4 BTIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

2 Q3 @2 e" t; k& q# [7 ~开启输出比较中断，配置NVIC优先级：

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE);3 E) J3 }- e, E* E: F& [
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
4 k* v% U- z# ?: M9 ]# u- dNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
" m9 D% g3 g- K0 E8 Q4 zNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;% O% q6 d8 I \1 x( X
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;) Q, V9 Q0 ~$ T7 X; n4 u+ P
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

编写中断服务函数
! _! z- a$ Y' f: U# k, X9 ~6 R% R在输出比较中断中，唯一要做的事情就是把当前CNT的值取出，加上脉冲长度X，写入输出比较寄存器。- G" K$ l @& X+ h
当计数器达到0XFFFF(之前设定的重装载值)后，再加一会自动变为0., o( A; }2 V4 }4 \
例如,当前CNT值为0XFFFF,脉冲长度为5，很明显，输出比较寄存器应设置为0X0004才可触发下一次中断,而不是0X10004,这样会造成溢出。! d3 L; E# _; E* q* h
因此将CNT的值与脉冲长度相加后，需要取0XFFFF的余数后，再写入输出比较寄存器。

int t_m=5;//低电平和高电平的长度
4 M- U* ?' I. x, S% g8 ~% evoid TIM2_IRQHandler(void)% m2 C" [4 U4 }; ~8 W
{
/ `7 Q% T+ e+ m0 Z- l1 Tif (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {
1 s9 r, E; d3 ~6 jTIM_SetCompare1(TIM2,(TIM2->CNT+t_m)%0XFFFF);( y( e; q& O. d* c/ ~
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);
6 y/ i' A) c) P, I9 l}# o d+ |; D2 F$ G2 x- B
}