步進(jìn)電機(jī)控制

嵌入式技術(shù)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)嵌入式技術(shù)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)課題：基于STM32的28BYJ步進(jìn)電機(jī)的控制專業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)日期：成績(jī)：重慶城市科技學(xué)院電氣工程與智能制造學(xué)院重慶城市科技學(xué)院電氣工程與智能制造學(xué)院課程設(shè)計(jì)目錄.設(shè)計(jì)目的（1）掌握STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（2）掌握硬件電路的設(shè)計(jì)方法；（3）掌握步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法；（4）掌握OLED的驅(qū)動(dòng)；（5）掌握STM32的編程方式。2.設(shè)計(jì)要求基于STM32F13C8T6單片機(jī)設(shè)計(jì)制作一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器，具體要求如下：（1）利用STM32（定時(shí)器PWM或者IO口）來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。（2）通過(guò)按鍵來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。（3）在0.96寸OLED上顯示正反轉(zhuǎn)信息和轉(zhuǎn)速。3.設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)3.128BYJ步進(jìn)電機(jī)28BYJ步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的一種常用的數(shù)字控制執(zhí)行元件，又稱為脈沖電機(jī)。在驅(qū)動(dòng)電源的作用下，步進(jìn)電機(jī)受到脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比。步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的角度（步距角）。**改變通電順序可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向;改變通電頻率可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。**因此，通過(guò)控制輸入電脈沖的數(shù)目、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序就可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，利用單片機(jī)就可以很容易實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)數(shù)字控制。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方法是由觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來(lái)進(jìn)行控制的，但此種控制方法工作方式單一而且難于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要重新進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。因此適合于單片機(jī)控制，單片機(jī)通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。3.2PWM調(diào)速方法在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中可以通過(guò)輸人ＰＷＭ波的方法來(lái)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。ＰＷＭ波的產(chǎn)生可以通過(guò)時(shí)鐘頻率、自動(dòng)重裝值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而調(diào)節(jié)ＰＷＭ波的占空比和輸出頻率。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就是對(duì)脈沖寬度的控制，PWM原理如圖：假定定時(shí)器工作在向上計(jì)數(shù)PWM模式，且當(dāng)CNT小于CCRx時(shí)，輸出0，當(dāng)CNT大于等于CCRx時(shí)輸出1。那么就可以得到如上的PWM示意圖：當(dāng)CNT值小于CCRx的時(shí)候，IO輸出低電平(0)，當(dāng)CNT值大于等于CCRx的時(shí)候，IO輸出高電平(1)，當(dāng)CNT達(dá)到ARR值的時(shí)候，重新歸零，然后重新向上計(jì)數(shù)，依次循環(huán)。改變CCRx的值，就可以改變PWM輸出的占空比，改變ARR的值，就可以改變PWM輸出的頻率，這就是PWM輸出的原理。，通過(guò)控制脈沖占空比來(lái)改變電機(jī)的電樞電壓.改變占空比的方法有3種:(1)定寬調(diào)頻法,這種方法是保持t1不變,只改變t2,這樣周期(T或頻率)也隨之改變;(2)調(diào)寬調(diào)頻法,保持t1不變,而改變t2,這樣也使周期T(或頻率)改變;(3)定頻調(diào)寬法,這種方法是使周期(T或頻率)不變,而同時(shí)改變t1和t2.由于前兩利,方法都改變了周期(或頻率),當(dāng)控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí),將會(huì)引起振蕩,用的比較少,因此本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法.在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時(shí),速度增加.電機(jī)斷電時(shí),速度逐漸減小.只要按一定規(guī)律,改變通斷電時(shí)間,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)電路圖通過(guò)對(duì)STM32F4單片機(jī)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，并且可以利用計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的串口通信，接收到單片機(jī)所反饋回來(lái)的控制數(shù)據(jù)，包括：**步進(jìn)電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)、反向轉(zhuǎn)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)的定位功能以及調(diào)速功能。**要實(shí)現(xiàn)上述功能需要對(duì)STM32F4的以下模塊進(jìn)行設(shè)置，主要包括：串口通信模塊、按鍵輸入模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊三大部分。下面就以重要模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的論述。4.2串口通信模塊串口作為MCU的重要外部接口，同時(shí)也是軟件開(kāi)發(fā)重要的調(diào)試手段，其重要性不言而喻?，F(xiàn)在基本上所有的MCU都會(huì)帶有串口，STM32自然也不例外。STM32F4的串口資源相當(dāng)豐富的，功能也相當(dāng)強(qiáng)勁。ALIENTEK探索者STM32F4開(kāi)發(fā)板所使用的STM32F407ZGT6最多可提供6路串口，有分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器、支持同步單線通信和半雙工單線通訊、支持LIN、支持調(diào)制解調(diào)器操作、智能卡協(xié)議和IrDASIRENDEC規(guī)范、具有DMA等。處理器與外部設(shè)備通信的兩種方式：1、并行通信：-傳輸原理：數(shù)據(jù)各個(gè)位同時(shí)傳輸。-優(yōu)點(diǎn)：速度快-缺點(diǎn)：占用引腳資源多2、串行通信：-傳輸原理：數(shù)據(jù)按位順序傳輸。-優(yōu)點(diǎn)：占用引腳資源少-缺點(diǎn)：速度相對(duì)較慢本課設(shè)選用串行通信。串行通信按照數(shù)據(jù)傳送方向，分為：（1）單工：數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸（2）半雙工：允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是，在某一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，它實(shí)際上是一種切換方向的單工通信；（3）全雙工：允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸，因此，全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。串口配置的一般步驟如下：①串口時(shí)鐘使能：RCC_APBxPeriphClockCmd();GPIO時(shí)鐘使能：RCC_AHB1PeriphClockCmd();②引腳復(fù)用映射：GPIO_PinAFConfig();③GPIO端口模式設(shè)置:GPIO_Init();模式設(shè)置為GPIO_Mode_AF④串口參數(shù)初始化：USART_Init();⑤開(kāi)啟中斷并且初始化NVIC（如果需要開(kāi)啟中斷才需要這個(gè)步驟）NVIC_Init();USART_ITConfig();⑥使能串口:USART_Cmd();⑦編寫(xiě)中斷處理函數(shù)：USARTx_IRQHandler();⑧串口數(shù)據(jù)收發(fā)：voidUSART_SendData();//發(fā)送數(shù)據(jù)到串口，DRuint16_tUSART_ReceiveData();//接受數(shù)據(jù)，從DR讀取接受到的數(shù)據(jù)⑨串口傳輸狀態(tài)獲?。篎lagStatusUSART_GetFlagStatus();voidUSART_ClearITPendingBit();部分代碼如下：4.3按鍵輸入模塊STM32F4開(kāi)發(fā)板上的按鍵KEY0連接在PE4上、KEY1連接在PE3上、KEY2連接在PE2上、KEY_UP連接在PA0上。如圖所示：在此次實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)置按下KEY-UP，電機(jī)以所設(shè)定頻率回到絕對(duì)原點(diǎn)；按下KEY0，電機(jī)以所設(shè)定頻率順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；按下KEY1，電機(jī)以所設(shè)定頻率逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。下面給出實(shí)現(xiàn)按鍵輸入的一般步驟：①使能按鍵對(duì)應(yīng)IO口時(shí)鐘。調(diào)用函數(shù)：RCC_AHB1PeriphClockCmd();②初始化IO模式：上拉/下拉輸入。調(diào)用函數(shù)：GPIO_Init();③掃描IO口電平（庫(kù)函數(shù)/寄存器/位操作）。相關(guān)代碼如下：4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)器與STM32F4連接如下圖：代碼需要用到的4個(gè)主要函數(shù)如下：voidDriver_Init(void);//驅(qū)動(dòng)器初始化voidTIM8_OPM_RCR_Init(u16arr,u16psc)；//TIM8_CH2初始化單脈沖+重復(fù)計(jì)數(shù)模式voidLocate_Rle(longnum,u32frequency,DIR_Typedir)//相對(duì)定位函數(shù)voidLocate_Abs(longnum,u32frequency);/絕對(duì)定位函數(shù)1)驅(qū)動(dòng)器初始化函數(shù)，主要就是初始化與驅(qū)動(dòng)器ENA+,DIR+相連的2個(gè)IO為推挽輸出。2)TIM8_CH2初始化，此例程產(chǎn)生脈沖所使用的定時(shí)器均是TIM8_CH2（PC7）,定時(shí)器工作在單脈沖+重復(fù)計(jì)數(shù)模式，需要注意的是定時(shí)器必須初始化為1MHz計(jì)數(shù)頻率。3)相對(duì)定位函數(shù)：在步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前位置基礎(chǔ)上順時(shí)針(CW)或者逆時(shí)針(CCW)走num個(gè)脈沖，此函數(shù)帶方向控制，DIR_Type是driver.h下聲明的一個(gè)枚舉類型，用于設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，參數(shù)dir=CW,電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；dir=CCW,電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。絕對(duì)定位函數(shù)：步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定頻率轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)置的絕對(duì)位置，開(kāi)發(fā)板上電和復(fù)位時(shí)，當(dāng)前位置為0，電機(jī)的當(dāng)前位置用一個(gè)long型變量current_pos指示。在current_pos=0的基礎(chǔ)上順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)后current_pos為正，否則為負(fù)。5)此例程配置了usmart函數(shù)和按鍵函數(shù)，可以通過(guò)按鍵或者串口調(diào)用相對(duì)定位函數(shù)和絕對(duì)定位函數(shù)控制驅(qū)動(dòng)器，從而控制步進(jìn)電機(jī)。5.調(diào)試設(shè)置驅(qū)動(dòng)器細(xì)分和電流，完成硬件接線，然后給開(kāi)發(fā)板上電（USB232接口），打開(kāi)XCOM調(diào)試助手，找到對(duì)應(yīng)COM，設(shè)置波特率115200,1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，勾上發(fā)送新行，然后打開(kāi)串口，最后給驅(qū)動(dòng)器上電。按下KEY-UP，電機(jī)以500Hz頻率回到絕對(duì)原點(diǎn)；按下KEY0，電機(jī)以500Hz頻率順時(shí)針走200個(gè)脈沖；按下KEY1，電機(jī)以500Hz頻率逆時(shí)針走400個(gè)脈沖；依次按下KEY_UP，KEY0，KEY1，串口打印的情況如下：點(diǎn)擊發(fā)送條目后邊的數(shù)字就可調(diào)用該函數(shù)，這兒的相對(duì)的定位函數(shù)Locate_Rle最后一個(gè)參數(shù)用于設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的，0（CCW）表示逆時(shí)針?lè)较颍?（CW）表示順時(shí)針?lè)较?，?shí)驗(yàn)時(shí)，如果電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和設(shè)置方向相反，只需更改driver.h下的CW=0,CCW=1；每調(diào)用一次函數(shù)，串口打印當(dāng)前的位置。然后我們依次調(diào)用這4個(gè)函數(shù)，根據(jù)串口的打印，可以看到當(dāng)前位置的變化情況，如圖所示。6.總結(jié)本文介紹了利用單片機(jī)控制基于STM32F4芯片的28BYJ步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路以及用pwm實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的脈