在工業自動化、機器人控制等場合，步進電機以其高精度、開環控制的特性得到了廣泛應用。而在嵌入式系統中，使用STM32進行步進電機的精確控制，已成為開發者的首選方案之一。

本文將從嵌入式開發者的角度，深入探討如何基于STM32 MCU實現步進電機的精準控制，包括驅動器選擇、步進模式、細分控制、速度曲線規劃、閉環反饋等核心內容，助力開發者掌握高精度步進電機控制的技術要點。

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一、步進電機工作原理

1. 步進電機類型

步進電機主要包括：

• 反應式步進電機（VR型）
• 永磁式步進電機（PM型）
• 混合式步進電機（HB型）

目前工業場合中，最廣泛使用的是混合式步進電機（HB型），其特性為：

• 步距角小，精度高
• 保持力矩大
• 啟動性能優異
  

2. 步進電機控制特性

步進電機的每一步運動都是固定角度的增量位移，且無需反饋即可實現定位控制。這種開環控制特性非常適合一些對精度要求較高，但不需要閉環反饋的場合。

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二、STM32步進電機驅動電路設計

1. 硬件選型

• 主控MCU： STM32F103C8T6
• 驅動器： DRV8825（常見于3D打印機和CNC設備）
• 電機： 17HS4401（1.8°步距角，2A相電流）

2. 硬件連接

STM32引腳	DRV8825引腳	功能
PA0	DIR	方向控制
PA1	STEP	脈沖輸入
GND	GND	地
5V	VCC	電源

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三、步進電機細分與精準運動控制

1. 步進電機的步距角計算

在普通情況下，步進電機的步距角公式為：

$$\theta =\frac{360°}{N}$$

其中：

• $\theta$ 為每步的角度
• $N$ 為步進電機的步數

例如，常見的17HS4401電機為200步/圈，其步距角為：

$$\theta =\frac{360°}{200}=1.8°$$

2. 細分控制原理

采用DRV8825進行細分驅動，可設置16細分、32細分甚至128細分，以提升角度精度。例如：

細分模式	每步角度	每圈脈沖數
全步	1.8°	200
1/2細分	0.9°	400
1/16細分	0.1125°	3200
1/32細分	0.05625°	6400

3. 控制脈沖生成

要實現精準運動控制，必須產生固定頻率的脈沖信號，STM32的定時器正好可以實現這一點。

配置步驟：

1. 配置TIM2為定時器模式，產生固定頻率脈沖
2. 配置GPIO控制DIR引腳，決定旋轉方向
3. 使用中斷服務函數ISR，控制STEP脈沖信號

示例代碼：

void TIM2_IRQHandler(void)
{if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET){GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1); // 產生一個STEP上升沿delay_us(5);GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);}
}

通過調整TIM2的頻率，即可精確控制步進電機的轉速。

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四、速度曲線規劃（加減速控制）

1. 加速曲線的重要性

在實際應用中，若步進電機直接從零速到高速，會出現丟步、振動等問題，因此必須設計加速曲線。

2. 梯形加速算法

采用梯形加速算法是最常見的方案，其核心思想是：

• 加速階段： 脈沖間隔時間逐漸減小
• 恒速階段： 脈沖間隔保持恒定
• 減速階段： 脈沖間隔逐漸增大

3. 代碼實現

for(int i=0; i<steps; i++)
{delay_us(pulse_interval[i]);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);delay_us(5);GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}

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五、閉環反饋的必要性

1. 閉環反饋原理

在高精度應用中，可以通過光電編碼器實現閉環控制，確保電機實際運動與預期一致。

2. 簡化反饋代碼

if(target_step > actual_step)
{// 補償丟失的步數
}

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在實際項目開發中，還可以結合PID算法、CAN通信等技術，實現更高性能的步進電機控制系統。