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步进电机控制卡入门

创作时间:

作者:

@小白创作中心

步进电机控制卡入门

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/pauljames1028/article/details/138238371

步进电机控制是自动化控制领域的重要组成部分，广泛应用于各种精密设备和数控加工系统中。本文将从基础理论到具体实现，全面介绍步进电机控制卡的开发过程，帮助读者快速掌握这一关键技术。

一、概述

脉冲控制是自动化控制中的一个大类别。最常见的是步进电机的控制，而步进电机在自动化中的应用不用多说。此外，还有大量的伺服电机，同样接受脉冲控制。这样，使用采用来搭建设备，乃至多轴数控加工设备就变得非常普遍。本文档总结脉冲卡并提炼其中的关键点，供广大爱好者学习研究，少走弯路。

针对文档中不够清晰的部分，读者可以在评论区留言讨论。

以步进电机为执行器的系统，除去客户端，一般包含3大部分，如图1所示：

图1 步进电机系统常见配置

步进电机本体（Motor）

最为常见的是两相四线步进电机，步距角1.8度，不细分的话，就是200个脉冲转一圈。这种电机随处可买，价格根据功率大小与制作工艺而变。

步进电机驱动器（Motor Driver）

驱动器是给电机线圈通电的装置，它接受从电机控制器的脉冲和方向信号，进而转换为电机线圈的励磁电流，从而驱动电机动作。常见的驱动器包含电流选择与步距角细分功能，好一点的带自测功能，不需要外接脉冲就可以转动电机。

步进电机控制器（Motion Controller）

电机控制器是用来给驱动器发脉冲的，脉冲的频率由控制器来决定，如果要实现电机平滑加减速，就要根据需要产生变频率脉冲，这些计算都在控制器内部进行。

操作客户端（Client）

通过某种通信方式，比如串口给电机控制器发指令，从而完成控制步进电机的功能。常见的客户端如串口助手

本文的重点介绍对象是步进电机控制器，将带领大家从理论开始，到代码实现。

二、步进电机控制理论背景

步进电机驱动器接受脉冲信号，转换为步进电机的转角，一个脉冲转过的角度称为步距角。因此，脉冲的总数决定了一次运动过程中电机的转角，脉冲的频率决定了步进电机的速度。图2表示脉冲出现的时刻，时间之间的间隔分别是基础时钟的整数倍

图2

因此，步进电机的控制，从本质上来讲非常简单，就是控制脉冲总数以及脉冲的出现间隔。至于怎么来产生需要的脉冲频率，就会衍生出多种不同的算法，也就是步进电机加减速算法，此外业内流行的数控系统代码，比如GRBL也是一样的套路，使用脉冲频率的变化来操作。下面我们就结合代码来分析。

三、步进电机控制器实现

要实现一个完整的电机控制器，需要整合多个模块，最为常见的有：通信模块，IO模块，定时器模块，加减速算法模块以及辅助支持模块等。下面分模块来阐述

3.1 通信模块

通信模块的功能在于完成跟上位机的通信，比如232串口，485串口，USB，CAN总线，网络等。完成原始数据的接收，并根据上下位机约定的数据协议来分解，这就是通信模块要完成的任务。一个典型的实现过程如下：

需要有一个外设的初始化函数

void UART_init(uint32 Baund)  
{  
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;  
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  
USART_DeInit(USART1);  
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;  
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;  
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  
USART_InitStructure.USART_BaudRate = Baund;  
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;  
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;  
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;  
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);  
USART_Cmd(USART1, ENABLE);  
}

在这个函数内部，主要完成端口和中断配置，并使能外设功能。

剩下的，就是最为关键的接受函数了。这个函数典型的入口是串口接受中断

void USART1_IRQHandler(void)

在这个中断内部，来执行数据解析。数据协议的常见形式，例如一条运动指令，带上多个参数M01 100 200 300 400，这样的数据，怎么来分解呢？最为简单的做法就是搜索字符串，根据分割符号空格来处理数据。String头文件中为此准备了专门的函数，strtok()来处理这的数据。具体实现过程，大家可以参考该函数的使用方法。这里就不展开了。

3.2 IO模块

脉冲控制卡，本身就需要最后输出脉冲来驱动电机，此外还有方向信号，限位开关等一系列端口信号需要处理，这就需要一个IO模块来管理这些外设。

IO模块对于单片机来说，应该是最简单的，几乎所有的单片机教程第一课都是操作GPIO，因此这里不打算再去重复具体实现，只是提醒下一些用于步进电机控制的点。对于IO的统一管理，可以采用面向对象的方式来进行。这样修改起来很方便。

3.3 定时器模块

定时器是脉冲产生与输出的关键设备，由于STM32的定时器很多，还有一些高级功能，所以这里只针对典型的情况进行讲解。采用的方法也是最常见的定时器用法。

班特科技的开源产品，步进电机8大算法里面提到过，产生脉冲的办法是很多的，有定时器的PWM专用通道法，也有DMA法。我们使用定时器溢出法，也是定时器的基本功能。这样也方便移植到一些基本的单片机上，比如STC的，LPC的，PIC的。

定时器作为基础定时功能，需要配置，示例代码如下：

void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)  
{  
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;  
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;  
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;  
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);  
TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update );  
TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE );  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;  
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
}

因为定时功能不绑定具体IO，因此在内部没有操作GPIO的语句。只有操作ARR和PSC的语句，以及设置中断优先级的。