STM32实例 — 步进电机的速度控制

只看该作者 · 2024-7-28 09:30

1、项目需求

在制作一个使用全向轮的机器人底盘，对于全向轮，电机的精度是影响效果的重要因素。所以使用了步进电机，使用步进电机的优点是可以不使用编码器，开环控制即可达到高精度的效果。
2、调整占空比或者调整周期众所周知，PWM有两个重要参数，周期与占空比。步进电机的运动方式是，每收到一个脉冲,就旋转指定的角度。因此影响电机速度的唯一参数就是PWM的频率。以下附图两张来说明调整占空比与调整周期的区别。

▲ 周期固定，调整占空比
上图中有4个PWM，它们的周期是一样的，不同之处是拥有从80%至20%的占空比。可以看出，无论占空比为多少，在1s内，它们产生的高电平的数量是一样的，即无论占空比为多少，PWM的频率都一致。因此也就无法调整步进电机的速度。因为步进电机的速度仅与PWM的频率有关。

▲ 占空比固定，调整周期
上图中有4个PWM，它们的占空比都固定为50%，却拥有不同的周期。可以看出，即使占空比固定，只要动态调整周期，PWM就能在相同时间内产生数量不同的脉冲。因此，固定占空比，动态调整PWM周期，即可达到控制步进电机速度的效果。

3、基于STM32的实现

在STM32F1中，定时器具有PWM模式，可以用来产生PWM。相关文章：STM32中PWM的配置与应用详解。但是，STM32的PWM模式，只要确定了时基单元(即确定了PWM周期)，改变输出比较寄存器，仅可改变PWM的占空比。
若需要改变PWM周期，需不停地改变定时器的时基单元。但时基单元与硬件相关，不适合频繁变更。因此，步进电机的调速，不适合使用STM32下定时器的PWM模式来控制。

在多方查找资料后，确定了一种利用输出比较精确控制PWM周期的方式。

只看该作者 · 2024-7-28 09:33

4、利用输出比较产生频率可变的PWM
利用输出比较产生频率可变的PWM，原理简单介绍如下：
首先配置定时器时基单元，确定脉冲最小长度单位CK。然后开启定时器的输出比较，设置模式为翻转模式，并开启输出比较中断。将定时器内计数器CNT当前值，加上脉冲长度X(单位为CK)，写入输出比较寄存器。

在X个CK后，将会触发输出比较中断。同时电平翻转。在中断中再次将当前计数器CNT的值，加上脉冲长度X，写入输出比较寄存器。

在X个CK后，将会触发输出比较中断。同时电平翻转。在中断中再次将当前计数器CNT的值，加上脉冲长度X，写入输出比较寄存器。

如此往复……

以此即可得到一个占空比为50%，周期为2X个CK的PWM。

5、确定最小单位CK，配置时基单元
首先确定一个最小的间隔CK，规定PWM的高电平长度和低电平长度的单位都是CK。
即高电平的长度一定是CK的整数倍。低电平亦然。然后配置定时器的时基单元，通过CK的长度确定预分频系数。
已知STM32F103的主频为72MHZ，则时基单元中预分频系数为

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PSC = 72M / (1/CK)

例如，rtz所确定的CK长度为10us(0.00001s)，即可得出方程。

图片

预分频系数确定为720后，由高速晶振产生的72MHZ的时钟信号被720分频，得到100000HZ的时钟信号。即时钟信号每秒变动100000次。每次10us。同时可将重装载值设定为0XFFFF（16位定时器的最大值）。因为本次使用的输出比较模式不使用更新中断，该值可随意设置。

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TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0XFFFF;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =720;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

开启输出比较通道，设置输出比较模式为翻转模式，并配置NVIC，开启输出比较中断，配置输出比较通道：

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TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle;

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;

TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

开启输出比较中断，配置NVIC优先级：

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TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)

只看该作者 · 2024-7-28 09:34

6、编写中断服务函数

在输出比较中断中，唯一要做的事情就是把当前CNT的值取出，加上脉冲长度X，写入输出比较寄存器。

当计数器达到0XFFFF(之前设定的重装载值)后，再加一会自动变为0.

例如,当前CNT值为0XFFFF,脉冲长度为5，很明显，输出比较寄存器应设置为0X0004才可触发下一次中断,而不是0X10004,这样会造成溢出。

因此将CNT的值与脉冲长度相加后，需要取0XFFFF的余数后，再写入输出比较寄存器。

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int t_m=5;//低电平和高电平的长度

void TIM2_IRQHandler(void)

{

if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {

    TIM_SetCompare1(TIM2,(TIM2->CNT+t_m)%0XFFFF);

    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);

  }

}

动态调整中断服务函数中的变量t_m,即可达到修改PWM频率的效果。

只看该作者 · 2024-7-30 12:13

可以看出，即使占空比固定，只要动态调整周期，PWM就能在相同时间内产生数量不同的脉冲

只看该作者 · 2024-8-31 22:58

PWM（脉宽调制）信号通过调节脉冲的宽度（占空比）来控制电机的工作状态。对于步进电机来说，PWM 的频率直接影响电机的速度。

只看该作者 · 2024-9-4 22:25

在制作一个使用全向轮的机器人底盘，对于全向轮，电机的精度是影响效果的重要因素。