STM32步进电机精准控制：原理详解与实战编码指南

一、引言

在3D打印机、CNC机床和自动化设备中，步进电机因其无需编码器反馈即可实现精确位置控制的特点被广泛应用。本教程将使用STM32F103C8T6（Blue Pill开发板）驱动常见的28BYJ-48（5V步进电机）和NEMA17（42步进电机），涵盖硬件连接、驱动原理及标准库代码实现。

二、步进电机结构与工作原理

1. 机械结构

28BYJ-48（减速步进电机）：

步距角：5.625° → 经1:64减速箱后 0.087°/步

4相5线单极电机（ULN2003驱动）

NEMA17（工业级电机）：

步距角：1.8°（200步/转）

双极电机（需A4988/TB6600驱动）

2. 工作原理解析

当定子绕组按A→B→C→D→A顺序通电时，转子磁极被吸引旋转。STM32通过**脉冲信号（STEP）**控制步数，**方向信号（DIR）**控制相位顺序。

三、硬件驱动模块

模块	适用电机	最大电流	特点
ULN2003	28BYJ-48	500mA	内置续流二极管
A4988	NEMA17	2A	支持16细分
TB6600	NEMA17/23	4.5A	工业级抗干扰

1. 初始化函数（标准库版）

#include "stm32f10x.h"
void GPIO_StepperInit(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // STEP脉冲信号(PA0) 和 DIR方向信号(PA1)
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // A4988使能信号(PA4)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);  // 默认禁用驱动
}

2. 定时器PWM配置（精确脉冲控制）

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void TIM2_PWM_Init(uint16_t pulse_width_us) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    
    // 时钟使能
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    
    // 定时器基础配置（72MHz主频）
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = pulse_width_us * 72 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // PWM模式配置（通道1）
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = (pulse_width_us * 36);  // 50%占空比
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

四、核心驱动代码

1. 基础步进控制

// 设置方向（0:逆时针, 1:顺时针）
void Stepper_SetDir(uint8_t dir) {
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, dir ? Bit_SET : Bit_RESET);
}

// 发送单步脉冲（软件延时版）
void Stepper_Step(uint32_t delay_us) {
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
    Delay_us(delay_us);  // 需自行实现微秒延时
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
    Delay_us(delay_us);
}

// 旋转指定角度（28BYJ-48示例）
void Stepper_Rotate(float angle) {
    uint32_t steps = (uint32_t)(angle / 0.087);  // 0.087°/步
    while(steps--) {
        Stepper_Step(1000);  // 1ms步间隔
    }
}

2. 定时器中断实现加减速

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// 在stm32f10x_it.c中添加
volatile uint32_t step_count = 0;
void TIM3_IRQHandler(void) {
    if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {
        GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, 
            (step_count++ % 2) ? Bit_RESET : Bit_SET);
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    }
}