用stm32驱动步进电机(一) ——使用ULN2003芯片
概述
随着嵌入式系统的发展,步进电机的使用开始激增,只要涉及到把物体从一个地方移动到另外一个地方,都少不了步进电机的身影。本教程以stm32为例,使用ULN2003,TB6600电机驱动板,A4988,DRV8825,介绍步进电机的常用驱动方式。
从ULN2003开始
首先从最简单的入手,用ULN2003芯片,来驱动这种淘宝单片机套件中经常见到(但其实并没有什么用处)的5V四相五线步进电机。
长这个样子
用了配套的驱动板,但其实可以直接把ULN2003芯片插面包板上使用
(不知道我这么打广告这家淘宝店给不给钱)
上面提到了四相五线,仔细看有一条红线,即为5V电源线,还有黄、橙、粉、蓝四线,即名字里的四相,每条线都连接了电机内部的一个线圈,转子可以看做是一个磁铁,给四个线圈依次通电,线圈通电产生磁性,使转子旋转。这里有几种信号的输入方法,参考了一个很不错的制作网站中的一个帖子,链接附在这里:howtomechatronics
如上图所示,当给其中一个线圈通电时,对应线圈变为红色,产生磁性,那么怎么才能给线圈通电呢?之前我们提到了五线中还有一条5V的电源线,那么当把某一线圈接地时,电流便会流过线圈,这样,ULN2003的作用就很明显了
——将对应引脚接地。
如下图所示,ULN2003的工作方式是这样的,正视芯片(缺口端朝上),左边最下面的引脚接地,当左边的引脚输入高电平时,右边与它平行的引脚接地,所以我们只要用stm32控制对应的引脚依次为高电平就可以让它转动起来了。
接线如下图所示,用了野火的f103ZET6的核心板,PA5,PA6,PA7,PA8依次接IN1,IN2,IN3,IN4。用两节AA电池供电,在这里要注意,不能用板子直接供电,因为电机在启动瞬间会产生很大的感应电流而烧坏板子。为了使电平统一,还应该把板子的GND与电源负极连接。
(这里有一点小问题,就是Fritzing中没有我们用到的步进电机类型,所以在用了四线的代替)
实物图:
一、开始———波驱动或者单个线圈激发(Wave Drive or Single-Coil Excitation)
从上图我们可以看到,这个驱动方式是依次给线圈通电,然后在通电线圈断电的同时给下一个线圈通电,按照这个顺序循环往复。
下面是程序:
首先我们在user创建bsp_gpio.h与bsp_gpio.c,来初始化GPIO口,如接线所示,PA4-PA7依次接IN1-IN4
//IN1-PA4
#define IN1_GPIO_PORT GPIOA
#define IN1_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN1_GPIO_PIN GPIO_Pin_4//IN2-PA5
#define IN2_GPIO_PORT GPIOA
#define IN2_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN2_GPIO_PIN GPIO_Pin_5//IN3-PA6
#define IN3_GPIO_PORT GPIOA
#define IN3_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN3_GPIO_PIN GPIO_Pin_6//IN1-PA7
#define IN4_GPIO_PORT GPIOA
#define IN4_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN4_GPIO_PIN GPIO_Pin_7
之后我们使用直接操作BSRR与BRR寄存器的方式来控制IO
/* 直接操作寄存器的方法控制IO */
#define digitalHi(p,i) {p->BSRR=i;} //输出为高电平
#define digitalLo(p,i) {p->BRR=i;} //输出低电平/* 定义控制IO的宏 */
#define IN1_HIGH digitalHi(IN1_GPIO_PORT,IN1_GPIO_PIN)
#define IN1_LOW digitalLo(IN1_GPIO_PORT,IN1_GPIO_PIN)#define IN2_HIGH digitalHi(IN2_GPIO_PORT,IN2_GPIO_PIN)
#define IN2_LOW digitalLo(IN2_GPIO_PORT,IN2_GPIO_PIN)#define IN3_HIGH digitalHi(IN3_GPIO_PORT,IN3_GPIO_PIN)
#define IN3_LOW digitalLo(IN3_GPIO_PORT,IN3_GPIO_PIN)#define IN4_HIGH digitalHi(IN4_GPIO_PORT,IN4_GPIO_PIN)
#define IN4_LOW digitalLo(IN4_GPIO_PORT,IN4_GPIO_PIN)
使用宏定义对IO口封装,使Main函数更加直观,编写更加简单
之后在bsp_gpio.c中我们定义函数void GPIO_Config(void)来初始化IO口,全部设置为通用推挽输出,速度为50MHz。
void GPIO_Config(void)
{ /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;/*开启引脚相关的GPIO外设时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd( IN1_GPIO_CLK | IN2_GPIO_CLK | IN3_GPIO_CLK | IN4_GPIO_CLK , ENABLE);/*选择要控制的GPIO引脚*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN1_GPIO_PIN; /*设置引脚模式为通用推挽输出*/GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; /*设置引脚速率为50MHz */ GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /*调用库函数,初始化GPIO*/GPIO_Init(IN1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); /*选择要控制的GPIO引脚*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN2_GPIO_PIN;/*调用库函数,初始化GPIO*/GPIO_Init(IN2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);/*选择要控制的GPIO引脚*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN3_GPIO_PIN;/*调用库函数,初始化GPIOF*/GPIO_Init(IN3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);/*选择要控制的GPIO引脚*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN4_GPIO_PIN;/*调用库函数,初始化GPIOF*/GPIO_Init(IN4_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);//所有引脚初始化为低电平IN1_LOW;IN2_LOW;IN3_LOW;IN4_LOW;
}
这样,对IO口的初始化配置完成,来到Main函数,首先调用GPIO_Config();来对GPIO口进行初始化,之后在while(1)这个死循环中,重复进行以下动作:
1.给一个线圈通电;
2.延时一定时间;
3.将通电线圈断电,同时给下一个线圈通电;
4.重复1,2,3步。
(注:这里的通电指对应引脚输出高电平,断电指对应引脚输出低电平)
为了实现延时功能,在这里使用了系统滴答计时器,可实现毫秒计时。
void SysTick_Delay_Ms(__IO uint32_t ms)
{uint32_t i;SysTick_Config(72000);for(i=0; i<ms ; i++){while(!(SysTick->CTRL)&(1<<16));}SysTick->CTRL &= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}while函数:while(1){IN1_HIGH;SysTick_Delay_Ms(DelayTime);IN1_LOW;IN2_HIGH;SysTick_Delay_Ms(DelayTime);IN2_LOW;IN3_HIGH;SysTick_Delay_Ms(DelayTime);IN3_LOW;IN4_HIGH;SysTick_Delay_Ms(DelayTime);IN4_LOW;}
到这里驱动程序就写好了,DelayTime在main.c数开头用宏定义,改变其大小,可以调节步进电机的转速,经过实验DelayTime的最小值为6500左右,如果数值过小,由于转换过快,步进电机只会抖动而不会转动。如果把驱动过程反过来,可以实现反向。
如果顺序烧录后电机只是抖动而不转动,除了上面提到的问题之外,还可能是接线顺序的问题,可以调整线序来使电机线圈实现依次通电。
实验成功后,继续完善程序,定义一个stepper(Dir,Speed)来实现控制电机转动方向与速度
enum dir{Pos,Neg};void stepper(uint8_t dir,int speed)
{if(dir == Pos){IN1_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN1_LOW;IN2_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN2_LOW;IN3_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN3_LOW;IN4_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN4_LOW;}else{IN1_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN1_LOW;IN4_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN4_LOW;IN3_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN3_LOW;IN2_HIGH;SysTick_Delay_Ms(speed);IN2_LOW;}
}
新的main函数
int main(void)
{enum dir{Pos,Neg};GPIO_Config();while(1){int i;for(i = 0;i < 1000;i++) //电机正转stepper(Pos,8000); SysTick_Delay_Ms(500000); //延时for(i = 0;i < 1000;i++) //电机反转stepper(Neg,8000); SysTick_Delay_Ms(500000); //延时}
}
成功了!电机转动起来,并且能够改变方向
二、其它驱动方法
在上面我们成功驱动电机使其转动起来,但是这样的方式效率很低,原文作者还提到了更好的几种驱动方法
(上图)这种方法延长了线圈的通电时间,使得同时会有两个线圈通电,但是用这种方法一转仍然是四步。
(上图)于是有了半步驱动这种方式,这其实是上面两种方式的结合,用这种方式控制,一转变成了八步。
(上图)现在用的最多的是这种微步控制方式,可以看到结果调制的正弦波被输入到电机中,用这种方式,转子的转动更加平滑,同时电机各部分受到的力也随之减小,这样电机工作过程中的振动与丢步大大减小。这就是所谓的输入pwm波控制步进电机。
但是问题在于,pwm波的调制不像输出高低电平那么简单,而且一般用到的步进电机驱动电流超过了板子的提供范围,所以在实际应用中,更多的是使用驱动板或者驱动芯片,这将在之后的文章中讲到。
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