單片機-STM32部分：15、直流電機與步進電機 PWM/IO

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一、步進電機與直流電機：

1-1、什么是直流電機？

直流電機是最常見的電機類型。直流電動機通常只有兩個引線，一個正極和一個負極。直流電機的轉速控制主要依靠改變輸入電壓的大小來實現，電壓越高，電機轉速越快。

1-2、什么是步進電機？

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的電機，每個脈沖使電機轉動一個固定的角度（步進角），它可以實現更精準的位置控制。

1-3、直流電機與步進電機的對比：

直流電機：

優點：價格低、控制方便
缺點：精確的位置控制相對困難，除非采用額外的編碼器反饋

步進電機：

優點：低速扭矩大，控制更精準；
缺點：成本相對高，轉速相對較低。

二、思考？為什么STM32芯片引腳不能直接接步進電機或直流電機？但可以直接接舵機？

這要從舵機的構造說起，控制芯片+電機組成，stm32實際接的是控制芯片引腳，而不是電機本身。

而步進電機和直流電機內部是沒有控制芯片的，如果使用stm32直接接電機，因為stm32芯片引腳驅動能力弱而驅動不起甚至損壞芯片，stm32每個IO的最大電流為40mA，一般步進電機跑起來可能需要幾百mA到幾A。

驅動能力可以理解為引腳的可以輸出的力氣，如果力氣過小，當然推不動電機運行。

三、如何提升驅動能力呢？

下圖就是應用三極管的開關功能，使芯片IO的驅動能力提高。

上圖可以簡單理解為三極管開關電路，通過控制輸入口的電平高低，就可以控制后端電路的開啟關閉。

四、直流電機的控制？

4-1、控制轉/停

4-2、控制轉速

直流電機的速度可以通過改變其輸入電壓來控制，使用單片機控制轉速可以通過PWM控制。

PWM是一種通過發送一系列ON-OFF脈沖來調整輸入電壓平均值的技術。該平均電壓與脈沖的寬度成正比，稱為占空比。

占空比越高，施加到直流電機的平均電壓就越高，從而導致電機速度增加。占空比越短，施加到直流電機的平均電壓越低，導致電機速度降低。

下圖顯示了具有各種占空比和平均電壓的PWM技術。

4-3、控制方向

前面我們都只是控制電機往一個方向轉動，如果需要更換方向，就需要重新接線，那如果需要自動控制電機的正反轉呢？這就需要升級下電路。

下面電路被稱為H橋，是因為它使用四個晶體管連接，使示意圖看起來像一個“H”。

為了控制直流電機的旋轉方向，無需互換引線，可以使用稱為H橋的電路。H橋是可以雙向驅動電機的電子電路。H橋用于許多不同的應用中。最常見的應用之一是控制機器人中的電機。

如果需要使用多個三極管，一個一個連接太麻煩了，有沒有更好的方式呢？當然有，L293D、L298、和課程用的TC118S都是集成H橋的芯片。

直流驅動芯片TC118S

https://item.szlcsc.com/89487.html

應用電路圖

原理圖：

新建工程，設置PB14 PB15為GPIO輸出

修改IO名稱為DC_AN1、DC_AN2，這里PB14命名應該是DC_AN1,PB15應該是DC_AN2,不過這個命名錯不影響控制效果，只影響電機旋轉方向，大家留意下即可。

方向控制：

main.cwhile (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 *///正轉HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(5000);//停止HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(5000);//反轉HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN2_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(5000);//停止HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(5000);}/* USER CODE END 3 */

速度控制：

如果需要對直流電機進行速度控制，我們可以使用PWM，我們可以在STM32CUBEMX中看到PB15是支持綁定TIM1_CH3N這個通道的

TIM1_CH3N與TIM1_CH3為互補輸出，例如黃色是TIM1_CH3,TIM1_CH3N則為藍色部分

?	設置完成后，IO變為黃色 ?

我們在左側設置TIM1的CH3N為PWM模式即可

需要注意的是：
普通PWM開啟的函數為
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_3);
CH3N由于是高級定時器才有的通道，開啟函數為：
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);

最終代碼

main.c/* USER CODE BEGIN 2 */uint16_t pwm_value = 0;?? //占空比?HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_3); //開啟PWM輸出HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET); //設置DC_AN2為低，只保持一個方向轉動/* USER CODE END 2 */while (1){/* USER CODE BEGIN 3 */while (pwm_value < 150){pwm_value++;//修改比較值，修改占空比，占空比為pwm_value/500__HAL_TIM_SetCompare(&htim1, TIM_CHANNEL_3, pwm_value);???HAL_Delay(10);}HAL_Delay(1000);while (pwm_value){pwm_value--;__HAL_TIM_SetCompare(&htim1, TIM_CHANNEL_3, pwm_value);??HAL_Delay(10);}HAL_Delay(1000);}/* USER CODE END 3 */

參考工程：參考飛書文檔

五、步進電機的控制？

右手法則

步進電機工作原理

步進電機的基本工作原理為：給一個或多個定子相位通電，線圈中通過的電流會產生磁場，而轉子會與該磁場對齊；依次給不同的相位施加電壓，轉子將旋轉特定的角度并最終到達需要的位置。

步進電機中間的轉子是一個磁鐵，周圍線圈在通電時會形成磁場，然后把轉子吸過來，如果周圍線圈按照一定的順序逐個通電斷電時，轉子就會被帶動轉起來。

電機類型

步進電機又分為單極性的步進電機和雙極性的步進電機

其中左側為單極性步進電機，右側為雙極性的步進電機。

單雙極性是指一個步進電機里面有幾種電流的流向
單極性是指電機線圈只有一個方向的電流流向。
雙極性是指電機線圈有兩個電流的回路。

單級性電機驅動

下圖是單極性步進電機整步旋轉的過程，其中，在圖示中分為5根線，分別為A、B、C、D和公共端（+），公共端需要一直通電，剩下ABCD相中只要有一個相通電，即可形成回路產生磁場，圖中的通電順序為A->B->C->D，即可完成上圖中的順時針旋轉，如果想要逆時針旋轉只需要將其倒序即可。

雙極性的步進電機

下圖是一個雙極性的步進電機整步，步進順序。在第一步中：將A相通電，根據電磁鐵原理，產生磁性，并且因異性相吸，所以磁場將轉子固定在第一步的位置；第二步：當A相關閉，B相通電時，轉子會旋轉90°；第三步：B相關閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉子再次旋轉90°。在第四步中：A相關閉、B相通電，極性與第2步相反。重復該順序促使轉子按90°的步距角順時針旋轉。

滿步驅動：

單拍滿步驅動??????????????????????????????????????????????? 雙拍滿步驅動
?

半步驅動：

半步驅動的好處是提高分辨率，但是缺點是扭矩只有滿步驅動的70%，當然，也可以通過優化線圈中電流大小，來提高半步驅動扭矩。

總結：

步距角：改變一次通電狀態（或者說一個脈沖信號）電機轉子對應轉過的角度。θ=360°/(z*n)，θ是步距角，z是轉子齒數，n是工作拍數。
在非超載情況下，電機的轉速和停止位置只取決于控制脈沖信號的頻率和脈沖數；
脈沖數越多，轉動角度越大；頻率越高，轉動速度越快（不能超過電機規定的最高頻率）。
42步進電機

這里的42一般指電機的安裝尺寸42mm*42mm，同理，還有28、35、57、60，一般來說尺寸和扭矩成正比

兩相：2組線圈
步距角：每走一步的角度為1.8度

步進驅動芯片BDR6622T

https://item.szlcsc.com/769389.html

芯片框圖

內部一個橋的框圖：

控制：

半步模式：1-4步
滿步模式：1-8步

有了上面的理論基礎后

我們可以編寫代碼用全步或半步控制步進電機了，

接線說明

綠色A-
黑色A+
藍色B-
紅色B+

參考代碼如下

main.c/* USER CODE BEGIN 0 */void motor_run(uint8_t direction,uint8_t step){if(direction == 0){//正轉switch(step){case 0:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);break;case 1:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);break;case 2:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_SET);break;case 3:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_SET);break;}}else{//反轉switch(step){case 0:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_SET);break;case 1:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_SET);break;case 2:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);break;case 3:HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);break;}}}void runstep(){uint8_t direction = 0;int step = 500;for(int i = 0;i < step ;i++){motor_run(direction,i%4);HAL_Delay(1);}HAL_GPIO_WritePin(AN1_GPIO_Port,AN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN1_GPIO_Port,BN1_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(AN2_GPIO_Port,AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(BN2_GPIO_Port,BN2_Pin,GPIO_PIN_RESET);}
/* USER CODE END 0 *//* USER CODE BEGIN 2 */runstep();/* USER CODE END 2 *///改變runstep()中的direction就是改變方向，改變step就是改變步數。

示例工程

參考飛書文檔