基于STM32F4单片机对步进电机的控制（有代码）

2023-11-19

步进电机简介

步进电机是将电脉冲控制信号转变为角位移或线位移的一种常用的数字控制执行元件，又称为脉冲电机。在驱动电源的作用下，步进电机受到脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比。步进电机每接收一个电脉冲，转子就转过一个相应的角度（步距角）。**改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向;改变通电频率可改变步进电动机的转速。**因此，通过控制输入电脉冲的数目、频率及电动机绕组的通电顺序就可以获得所需要的转角、转速及转向，利用单片机就可以很容易实现步进电机的开环数字控制。
传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，但此种控制方法工作方式单一而且难于实现人机交互，当步进电机的参数发生变化时，需要重新进行控制器的设计。因此适合于单片机控制，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

PWM调速方法

在步进电机控制系统中可以通过输人ＰＷＭ波的方法来对步进电动的运动进行控制。ＰＷＭ波的产生可以通过时钟频率、自动重装值等参数进行设置，从而调节ＰＷＭ波的占空比和输出频率。
脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation” 的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。简单一点，就是对脉冲宽度的控制， PWM 原理如图：这里写图片描述
我们假定定时器工作在向上计数 PWM模式，且当 CNT小于CCRx 时，输出 0，当 CNT大于等于CCRx 时输出 1。那么就可以得到如上的 PWM示意图：当 CNT 值小于 CCRx 的时候， IO 输出低电平(0)，当 CNT 值大于等于 CCRx 的时候，IO 输出高电平(1)，当 CNT 达到 ARR 值的时候，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。改变 CCRx 的值，就可以改变 PWM 输出的占空比，改变 ARR 的值，就可以改变 PWM 输出的频率，这就是 PWM 输出的原理。，
通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压.改变占空比的方法有3种:(1)定宽调频法,这种方法是保持t1不变,只改变t2,这样周期(T或频率)也随之改变;(2)调宽调频法,保持t1不变,而改变t2,这样也使周期T(或频率)改变;(3)定频调宽法,这种方法是使周期(T或频率)不变,而同时改变t1和t2.由于前两利,方法都改变了周期(或频率),当控制频率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,用的比较少,因此本系统用的是定频调宽法.在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加.电机断电时,速度逐渐减小.只要按一定规律,改变通断电时间,即可实现对电机的转速控制。

系统硬件电路

系统硬件电路设计框图如下：
这里写图片描述

通过对STM32F4单片机编写程序实现对步进电机的控制，并且可以利用计算机和单片机的串口通信，接收到单片机所反馈回来的控制数据，包括：**步进电机的正向转动、反向转动、步进电机的定位功能以及调速功能。**要实现上述功能需要对STM32F4的以下模块进行设置，主要包括：串口通信模块、按键输入模块、电机驱动模块三大部分。下面就以重要模块的实现过程来进行详细的论述。

串口通信模块

串口作为 MCU 的重要外部接口，同时也是软件开发重要的调试手段，其重要性不言而喻。现在基本上所有的 MCU 都会带有串口， STM32 自然也不例外。STM32F4 的串口资源相当丰富的，功能也相当强劲。 ALIENTEK 探索者 STM32F4 开发板所使用的 STM32F407ZGT6 最多可提供 6 路串口，有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通讯、支持 LIN、支持调制解调器操作、智能卡协议和 IrDA SIR ENDEC 规范、具有 DMA 等。
处理器与外部设备通信的两种方式：
并行通信：
-传输原理：数据各个位同时传输。
-优点：速度快
-缺点：占用引脚资源多

串行通信：
-传输原理：数据按位顺序传输。
-优点：占用引脚资源少
-缺点：速度相对较慢
这里我们选用串行通信。串行通信按照数据传送方向，分为：
单工：
数据传输只支持数据在一个方向上传输
半双工：
允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数
据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；
全双工：
允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个
单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立
的接收和发送能力。这里写图片描述
这里我们给出串口配置的一般步骤：
①串口时钟使能：RCC_APBxPeriphClockCmd();
GPIO时钟使能：RCC_AHB1PeriphClockCmd();
② 引脚复用映射：
GPIO_PinAFConfig();
③GPIO端口模式设置:GPIO_Init(); 模式设置为GPIO_Mode_AF
④串口参数初始化：USART_Init();
⑤开启中断并且初始化NVIC（如果需要开启中断才需要这个步骤）
NVIC_Init();
USART_ITConfig();
⑥使能串口:USART_Cmd();
⑦编写中断处理函数：USARTx_IRQHandler();
⑧串口数据收发：
void USART_SendData();//发送数据到串口，DR
uint16_t USART_ReceiveData();//接受数据，从DR读取接受到的数据
⑨串口传输状态获取：
FlagStatus USART_GetFlagStatus();
void USART_ClearITPendingBit();