基于STM32-HAL库的直流电机控制

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本项目使用CubeMX初始化项目,使用HAL库编写程序,使用STM32F407的TIM2,TIM3控制四个直流电机,从而实现小车八个方向的运动.

概念

直流电机

输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

PWM

PWM，英文名Pulse Width Modulation，是脉冲宽度调制缩写，它是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（包含形状以及幅值），对模拟信号电平进行数字编码，也就是说通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化，占空比就是指在一个周期内，信号处于高电平的时间占据整个信号周期的百分比，例如方波的占空比就是50%.

STM32

STM32，从字面上来理解， ST 是意法半导体， M 是 Microelectronics 的缩写， 32 表示32 位，合起来理解， STM32 就是指 ST 公司开发的 32 位微控制器。自带了各种常用通信接口，比如 USART、 I2C、 SPI 等，可接非常多的传感器，可以控制很多的设备。现实生活中，我们接触到的很多电器产品都有 STM32 的身影，比如智能手环，微型四轴飞行器，平衡车、移动 POST 机，智能电饭锅，3D 打印机等等。

STM32 有很多系列，可以满足市场的各种需求，从内核上分有 Cortex-M0、 M3、 M4和 M7 这几种，每个内核又大概分为主流、高性能和低功耗。本项目使用STM32F407作为主控。

STM32的通用定时器PWM

　STM32 的定时器功能十分强大，有TIME1和TIME8等高级定时器，也有 TIME2~TIME5 等通用定时器，还有 TIME6 和TIME7 等基本定时器。

STM32 的通用定时器 TIMx (TIM2、TIM3、TIM4 和 TIM5) 功能包括：

1) 16位向上、向下、向上/向下自动装载计数器（TIMx_CNT）。

2) 16位可编程(可以实时修改)预分频器(TIMx_PSC)，计数器时钟频率的分频系数为 1～65535 之间的任意数值。

3）4 个独立通道（TIMx_CH1~4），这些通道可以用来作为： A．输入捕获 B．输出比较 C．PWM 生成(边缘或中间对齐模式) D．单脉冲模式输出

4）可使用外部信号（TIMx_ETR）控制定时器和定时器互连（可以用 1 个定时器控制另外一个定时器）的同步电路。

5）如下事件发生时产生中断/DMA： A．更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发) B．触发事件(计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数) C．输入捕获 D．输出比较 E．支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路 F．触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理

本项目使用STM32F407的TIMER2和TIMER3定时器输出PWM实现对直流电机的控制.

系统结构

程序实现

CubeMX初始化项目

打开STM32CubeMX,配置相关引脚和定时器TIM2,TIM3

下面设置TIM2为例

1.设置四路输出通道为PWM,设置为内部时钟源

2.设置定时器预分频系数和周期,设置四个PWM输出通道.因为STM32F407的TIM2和TIM3都是挂载在APB1总线上,该总线的时钟频率为84MHz,故这里设置这两个定时器的预分频系数为83+1,然后设置时钟周期为999+1.可得到1kHz的PWM脉冲.

3.配置引脚,给引脚设置标签

然后自行配置RCC,时钟,相关项目设置,最后点击生成项目

编写电机驱动

小车通过直流电机驱动麦克纳姆轮实现小车的前后左右左前右前左后右后八个方向的移动,关于麦克纳姆轮的前进原理下一篇博客详细解释.

首先是编写头文件motor.h. 说明:LF左前电机, RF右前电机, LR左后电机 ,RR右后电机

#ifndef _MOTOR_H
#define _MOTOR_H
#include <sys.h>
#include "delay.h"
#include "main.h"//定义定时器寄存器,便于程序的拓展和修改
#define LF1_CCR TIM2->CCR1
#define LF2_CCR TIM2->CCR2#define RF1_CCR TIM2->CCR3
#define RF2_CCR TIM2->CCR4#define LR1_CCR TIM3->CCR1
#define LR2_CCR TIM3->CCR2#define RR1_CCR TIM3->CCR3
#define RR2_CCR TIM3->CCR4//定义复用引脚功能
#define LF_GPIO_AF GPIO_AF1_TIM2
#define RF_GPIO_AF GPIO_AF1_TIM2
#define LR_GPIO_AF GPIO_AF2_TIM3
#define RR_GPIO_AF GPIO_AF2_TIM3//定义定时器
#define LF_TIM htim2
#define RF_TIM htim2
#define LR_TIM htim3
#define RR_TIM htim3//定义定时器通道
#define LF1_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_1
#define LF2_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_2
#define RF1_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_3
#define RF2_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_4#define LR1_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_1
#define LR2_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_2
#define RR1_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_3
#define RR2_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_4
//定义引脚初始化操作
#define MOTOR_LF_F initGPIO_AF(MOTOR_LF1_GPIO_Port,MOTOR_LF1_Pin,LF_GPIO_AF);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LF2_GPIO_Port,MOTOR_LF2_Pin);
#define MOTOR_LF_B initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LF1_GPIO_Port,MOTOR_LF1_Pin);initGPIO_AF(MOTOR_LF2_GPIO_Port,MOTOR_LF2_Pin,LF_GPIO_AF);
#define MOTOR_LF_S initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LF1_GPIO_Port,MOTOR_LF1_Pin);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LF2_GPIO_Port,MOTOR_LF2_Pin);#define MOTOR_RF_F initGPIO_AF(MOTOR_RF1_GPIO_Port,MOTOR_RF1_Pin,RF_GPIO_AF);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RF2_GPIO_Port,MOTOR_RF2_Pin);
#define MOTOR_RF_B initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RF1_GPIO_Port,MOTOR_RF1_Pin);initGPIO_AF(MOTOR_RF2_GPIO_Port,MOTOR_RF2_Pin,RF_GPIO_AF);
#define MOTOR_RF_S initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RF1_GPIO_Port,MOTOR_RF1_Pin);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RF2_GPIO_Port,MOTOR_RF2_Pin);#define MOTOR_LR_F initGPIO_AF(MOTOR_LR1_GPIO_Port,MOTOR_LR1_Pin,LR_GPIO_AF);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LR2_GPIO_Port,MOTOR_LR2_Pin);
#define MOTOR_LR_B initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LR1_GPIO_Port,MOTOR_LR1_Pin);initGPIO_AF(MOTOR_LR2_GPIO_Port,MOTOR_LR2_Pin,LR_GPIO_AF);
#define MOTOR_LR_S initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LR1_GPIO_Port,MOTOR_LR1_Pin);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_LR2_GPIO_Port,MOTOR_LR2_Pin);#define MOTOR_RR_F initGPIO_AF(MOTOR_RR1_GPIO_Port,MOTOR_RR1_Pin,RR_GPIO_AF);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RR2_GPIO_Port,MOTOR_RR2_Pin);
#define MOTOR_RR_B initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RR1_GPIO_Port,MOTOR_RR1_Pin);initGPIO_AF(MOTOR_RR2_GPIO_Port,MOTOR_RR2_Pin,RR_GPIO_AF);
#define MOTOR_RR_S initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RR1_GPIO_Port,MOTOR_RR1_Pin);initGPIO_OUTPUT(MOTOR_RR2_GPIO_Port,MOTOR_RR2_Pin);//从main.c中引入定时器实例
extern TIM_HandleTypeDef htim2;
extern TIM_HandleTypeDef htim3;/*********函数定义****************///停止所有PWM通道的输出
void Motor_TIM_PWM_Stop(void);
//设置小车前进方向为向前
void CarTurnForward(void);
//设置小车前进方向为向后
void CarTurnBackward(void);
//设置小车前进方向为向左
void CarTurnLeft(void);
//设置小车前进方向为向右
void CarTurnRight(void);
//设置小车前进方向为向左前
void CarTurnLF(void);
//设置小车前进方向为向右前
void CarTurnRF(void);
//设置小车前进方向为向左后
void CarTurnLR(void);
//设置小车前进方向为向右后
void CarTurnRR(void);
//小车停止
void CarStop(void);//通过设置比较值设置小车的速度
void CarForward(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear);
void CarBack(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear);
void CarLeft(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear);
void CarRight(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear);
void CarLF(u32 valRF,u32 valLR);
void CarRF(u32 valLF,u32 valRR);
void CarLR(u32 valLF,u32 valRR);
void CarRR(u32 valRF,u32 valLR);//引脚初始化
void initGPIO_OUTPUT(GPIO_TypeDef  *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);
void initGPIO_AF(GPIO_TypeDef  *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin,uint8_t GPIO_AF);//测试函数
void CarTest(void);#endif

需要说明的是main.h里面是CubeMX创建的头文件,根据设置的标签映射引脚端口号和引脚号

编写源文件motor.c.

当某个GPIO口不输出PWM时,将该引脚设置为普通输出模式并拉低电平,PWM的占空比通过改变TIM的PWM输出通道的比较值实现,

#include "motor.h"
//引脚初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct_InitMotor;
//初始化引脚为普通输出,并置低电平
void initGPIO_OUTPUT(GPIO_TypeDef  *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin)
{GPIO_InitStruct_InitMotor.Pin = GPIO_Pin;GPIO_InitStruct_InitMotor.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//设置为推挽输出GPIO_InitStruct_InitMotor.Pull = GPIO_PULLDOWN;//下拉GPIO_InitStruct_InitMotor.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速HAL_GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStruct_InitMotor);HAL_GPIO_WritePin(GPIOx,GPIO_Pin,GPIO_PIN_RESET);
}
//初始化引脚为定时器复用输出
void initGPIO_AF(GPIO_TypeDef  *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin,uint8_t GPIO_AF)
{GPIO_InitStruct_InitMotor.Pin = GPIO_Pin;GPIO_InitStruct_InitMotor.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;//复用推挽GPIO_InitStruct_InitMotor.Pull = GPIO_PULLDOWN;GPIO_InitStruct_InitMotor.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;GPIO_InitStruct_InitMotor.Alternate = GPIO_AF;//复用为定时器HAL_GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStruct_InitMotor);
}//停止所有PWM通道的输出
void Motor_TIM_PWM_Stop(void)
{HAL_TIM_PWM_Stop(&LF_TIM,LF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Stop(&LF_TIM,LF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Stop(&RF_TIM,RF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Stop(&RF_TIM,RF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Stop(&LR_TIM,LR1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Stop(&LR_TIM,LR2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Stop(&RR_TIM,RR1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Stop(&RR_TIM,RR2_TIM_CHANNEL);
}//设置定时器比较值,可控制电机转动的速度
//前进比较值设置
void CarForward(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear)
{LF1_CCR=valLeftFront;RF1_CCR=valRightFront;LR1_CCR=valLeftRear;RR1_CCR=valRightRear;
}
//后退比较值设置
void CarBack(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear)
{LF2_CCR=valLeftFront;RF2_CCR=valRightFront;LR2_CCR=valLeftRear;RR2_CCR=valRightRear;}
//向左比较值设置
void CarLeft(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear)
{//LF RR back,RF LR forwardLF2_CCR=valLeftFront;RF1_CCR=valRightFront;LR1_CCR=valLeftRear;RR2_CCR=valRightRear;
}
//向右比较值设置
void CarRight(u32 valLeftFront,u32 valRightFront,u32 valLeftRear,u32 valRightRear)
{LF1_CCR=valLeftFront;RF2_CCR=valRightFront;LR2_CCR=valLeftRear;RR1_CCR=valRightRear;
}
//左前比较值设置
void CarLF(u32 valRF,u32 valLR)
{RF1_CCR=valRF;LR1_CCR=valLR;
}
//右前比较值设置
void CarRF(u32 valLF,u32 valRR)
{LF1_CCR=valLF;RR1_CCR=valRR;
}
//左后比较值设置
void CarLR(u32 valLF,u32 valRR)
{LF2_CCR=valLF;RR2_CCR=valRR;
}
//右后比较值设置
void CarRR(u32 valRF,u32 valLR)
{RF2_CCR=valRF;LR2_CCR=valLR;
}
//小车停止,设置PWM通道低电平
void CarStop(void)
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_SMOTOR_RF_SMOTOR_LR_SMOTOR_RR_S
}
//小车前进引脚配置
void CarTurnForward()
{//先停止PWM输出,再配置引脚,最后开启对应PWM输出Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_FMOTOR_RF_FMOTOR_LR_FMOTOR_RR_FHAL_TIM_PWM_Start(&LF_TIM,LF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RF_TIM,RF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&LR_TIM,LR1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RR_TIM,RR1_TIM_CHANNEL);
}void CarTurnBackward()
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_BMOTOR_RF_BMOTOR_LR_BMOTOR_RR_BHAL_TIM_PWM_Start(&LF_TIM,LF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RF_TIM,RF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&LR_TIM,LR2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RR_TIM,RR2_TIM_CHANNEL);
}void CarTurnLeft()
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_BMOTOR_RF_FMOTOR_LR_FMOTOR_RR_BHAL_TIM_PWM_Start(&LF_TIM,LF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RF_TIM,RF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&LR_TIM,LR1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RR_TIM,RR2_TIM_CHANNEL);
}//LF RR forward RF LR backward
void CarTurnRight()
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_FMOTOR_RF_BMOTOR_LR_BMOTOR_RR_FHAL_TIM_PWM_Start(&LF_TIM,LF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RF_TIM,RF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&LR_TIM,LR2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RR_TIM,RR1_TIM_CHANNEL);
}void CarTurnLF(void)
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_SMOTOR_RF_FMOTOR_LR_FMOTOR_RR_SHAL_TIM_PWM_Start(&RF_TIM,RF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&LR_TIM,LR1_TIM_CHANNEL);
}void CarTurnRF(void)
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_FMOTOR_RF_SMOTOR_LR_SMOTOR_RR_FHAL_TIM_PWM_Start(&LF_TIM,LF1_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RR_TIM,RR1_TIM_CHANNEL);
}void CarTurnLR(void)
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_BMOTOR_RF_SMOTOR_LR_SMOTOR_RR_BHAL_TIM_PWM_Start(&LF_TIM,LF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&RR_TIM,RR2_TIM_CHANNEL);
}void CarTurnRR(void)
{Motor_TIM_PWM_Stop();MOTOR_LF_SMOTOR_RF_BMOTOR_LR_BMOTOR_RR_SHAL_TIM_PWM_Start(&RF_TIM,RF2_TIM_CHANNEL);HAL_TIM_PWM_Start(&LR_TIM,LR2_TIM_CHANNEL);
}void CarTest(void)
{CarTurnForward();CarForward(600,600,600,600);delay_ms(2000);CarTurnLeft();CarLeft(600,600,600,600);delay_ms(2000);CarTurnBackward();CarBack(600,600,600,600);delay_ms(2000);CarTurnRight();CarRight(600,600,600,600);delay_ms(2000);CarStop();delay_ms(10000);
}

参考文献

[1]大年军爱好电子. 什么是PWM信号，如何实现PWM信号输出？.http://baijiahao.baidu.com/s?id=1600440375098049847&wfr=spider&for=pc. 2018-05-16

[2]c1063891514. STM32介绍.https://blog.csdn.net/c1063891514/article/details/81665746. 2018-08-14