代码收藏家技术教程 2024-07-05

STM32步进电机控制器打造指南：详细教程与实战技巧

1. 引言

步进电机因其精确的位置控制和较高的响应速度，在自动化设备、3D打印机、CNC机床等领域广泛应用。本文将详细介绍如何使用STM32微控制器来控制步进电机，从理论到实践，帮助读者全面掌握这一重要技术。

STM32系列微控制器以其强大的性能、丰富的外设和良好的生态系统，成为电机控制应用的理想选择。本文将以STM32F103C8T6为例，展示如何实现步进电机的精确控制。

2. 步进电机基础知识

2.1 步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行机构。每接收一个脉冲信号，电机轴就转动一个固定的角度（称为步角）。

2.2 常见步进电机类型

单极性步进电机
双极性步进电机

2.3 步进电机驱动方式

全步驱动
半步驱动
微步驱动

3. STM32控制步进电机的硬件设计

3.1 STM32F103C8T6介绍

STM32F103C8T6是ST公司的ARM Cortex-M3内核微控制器，具有以下特点：

72MHz最大频率

64KB Flash，20KB SRAM

多个定时器和通信接口

3.2 步进电机驱动电路

本项目使用A4988步进电机驱动模块，它能够提供最高35V/2A的驱动能力，支持全步、半步和微步驱动。

3.3 系统整体框图

4. STM32控制步进电机的软件设计

4.1 STM32CubeMX配置

配置时钟：设置系统时钟为72MHz
配置GPIO：
PA0: STEP信号输出
PA1: DIR方向控制
PA2: ENABLE使能控制
配置定时器TIM2：
预分频器：71
计数周期：1000
触发中断

4.2 驱动程序编写

创建stepper.c和stepper.h文件，实现步进电机控制相关函数。

4.3 主程序流程

5. 关键代码实现

5.1 GPIO初始化

void Stepper_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

5.2 定时器配置

void Stepper_TIM_Init(void)
{
  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 71;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 1000;
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
}

5.3 步进电机控制函数

void Stepper_Move(int steps, uint16_t speed)
{
  if(steps > 0) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);  // 设置方向
  } else {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    steps = -steps;
  }
  
  remaining_steps = steps;
  TIM2->ARR = 1000000 / speed - 1;  // 设置速度
  
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);  // 使能驱动器
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);  // 启动定时器中断
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim->Instance == TIM2)
  {
    if(remaining_steps > 0)
    {
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0);  // 翻转STEP引脚
      remaining_steps--;
    }
    else
    {
      HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim2);  // 停止定时器中断
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);  // 禁用驱动器
    }
  }
}

6. 知识点总结

STM32相关：

GPIO配置和控制

定时器配置和中断处理

外设时钟使能

电机控制：

PWM原理及应用

步进电机驱动方式

速度和位置控制算法

7. 参考资料

STM32F103xx参考手册
https://www.st.com/resource/en/reference_manual/cd00171190-stm32f101xx-stm32f102xx-stm32f103xx-stm32f105xx-and-stm32f107xx-advanced-arm-based-32-bit-mcus-stmicroelectronics.pdf
A4988 Stepper Motor Driver Datasheet
https://www.allegromicro.com/-/media/files/datasheets/a4988-datasheet.pdf
"Control of Stepping Motors: A Tutorial" by Douglas W. Jones
Jones on Stepping Motors
"Modern Control Engineering" by Katsuhiko Ogata
https://www.pearson.com/en-us/subject-catalog/p/modern-control-engineering/P200000003220/9780136156734
STM32CubeMX用户手册
https://www.st.com/resource/en/user_manual/dm00104712-stm32cubemx-for-stm32-configuration-and-initialization-c-code-generation-stmicroelectronics.pdf
步进电机控制原理与实践
https://www.embedded.com/stepper-motor-control/
STM32 HAL库使用指南
https://www.st.com/resource/en/user_manual/dm00105879-description-of-stm32f4-hal-and-ll-drivers-stmicroelectronics.pdf