单片机-STM32部分：15、直流电机与步进电机 PWM/IO

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一、步进电机与直流电机：

1-1、什么是直流电机？

直流电机是最常见的电机类型。直流电动机通常只有两个引线，一个正极和一个负极。直流电机的转速控制主要依靠改变输入电压的大小来实现，电压越高，电机转速越快。

1-2、什么是步进电机？

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的电机，每个脉冲使电机转动一个固定的角度（步进角），它可以实现更精准的位置控制。

1-3、直流电机与步进电机的对比：

直流电机：

优点：价格低、控制方便
缺点：精确的位置控制相对困难，除非采用额外的编码器反馈

步进电机：

优点：低速扭矩大，控制更精准；
缺点：成本相对高，转速相对较低。

二、思考？为什么STM32芯片引脚不能直接接步进电机或直流电机？但可以直接接舵机？

这要从舵机的构造说起，控制芯片+电机组成，stm32实际接的是控制芯片引脚，而不是电机本身。

而步进电机和直流电机内部是没有控制芯片的，如果使用stm32直接接电机，因为stm32芯片引脚驱动能力弱而驱动不起甚至损坏芯片，stm32每个IO的最大电流为40mA，一般步进电机跑起来可能需要几百mA到几A。

驱动能力可以理解为引脚的可以输出的力气，如果力气过小，当然推不动电机运行。

三、如何提升驱动能力呢？

下图就是应用三极管的开关功能，使芯片IO的驱动能力提高。

上图可以简单理解为三极管开关电路，通过控制输入口的电平高低，就可以控制后端电路的开启关闭。

四、直流电机的控制？

4-1、控制转/停

4-2、控制转速

直流电机的速度可以通过改变其输入电压来控制，使用单片机控制转速可以通过PWM控制。

PWM是一种通过发送一系列ON-OFF脉冲来调整输入电压平均值的技术。该平均电压与脉冲的宽度成正比，称为占空比。

占空比越高，施加到直流电机的平均电压就越高，从而导致电机速度增加。占空比越短，施加到直流电机的平均电压越低，导致电机速度降低。

下图显示了具有各种占空比和平均电压的PWM技术。

4-3、控制方向

前面我们都只是控制电机往一个方向转动，如果需要更换方向，就需要重新接线，那如果需要自动控制电机的正反转呢？这就需要升级下电路。

下面电路被称为H桥，是因为它使用四个晶体管连接，使示意图看起来像一个“H”。

为了控制直流电机的旋转方向，无需互换引线，可以使用称为H桥的电路。H桥是可以双向驱动电机的电子电路。H桥用于许多不同的应用中。最常见的应用之一是控制机器人中的电机。

如果需要使用多个三极管，一个一个连接太麻烦了，有没有更好的方式呢？当然有，L293D、L298、和课程用的TC118S都是集成H桥的芯片。

直流驱动芯片TC118S

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

应用电路图

原理图：

新建工程，设置PB14 PB15为GPIO输出

修改IO名称为DC_AN1、DC_AN2，这里PB14命名应该是DC_AN1,PB15应该是DC_AN2,不过这个命名错不影响控制效果，只影响电机旋转方向，大家留意下即可。

方向控制：

main.cwhile (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 *///正转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);//反转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：

如果需要对直流电机进行速度控制，我们可以使用PWM，我们可以在STM32CUBEMX中看到PB15是支持绑定TIM1_CH3N这个通道的

TIM1_CH3N与TIM1_CH3为互补输出，例如黄色是TIM1_CH3,TIM1_CH3N则为蓝色部分

设置完成后，IO变为黄色

我们在左侧设置TIM1的CH3N为PWM模式即可

需要注意的是：
普通PWM开启的函数为
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_3);
CH3N由于是高级定时器才有的通道，开启函数为：
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);

最终代码

main.c/* USER CODE BEGIN 2 */uint16_t pwm_value = 0;   //占空比 HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_3); //开启PWM输出HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,DC_AN2_Pin,GPIO_PIN_RESET); //设置DC_AN2为低，只保持一个方向转动/* USER CODE END 2 */while (1){/* USER CODE BEGIN 3 */while (pwm_value < 150){pwm_value++;//修改比较值，修改占空比，占空比为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 */

参考工程：参考飞书文档

五、步进电机的控制？

右手法则

步进电机工作原理

步进电机的基本工作原理为：给一个或多个定子相位通电，线圈中通过的电流会产生磁场，而转子会与该磁场对齐；依次给不同的相位施加电压，转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。

步进电机中间的转子是一个磁铁，周围线圈在通电时会形成磁场，然后把转子吸过来，如果周围线圈按照一定的顺序逐个通电断电时，转子就会被带动转起来。

电机类型

步进电机又分为单极性的步进电机和双极性的步进电机

其中左侧为单极性步进电机，右侧为双极性的步进电机。

单双极性是指一个步进电机里面有几种电流的流向
单极性是指电机线圈只有一个方向的电流流向。
双极性是指电机线圈有两个电流的回路。

单级性电机驱动

下图是单极性步进电机整步旋转的过程，其中，在图示中分为5根线，分别为A、B、C、D和公共端（+），公共端需要一直通电，剩下ABCD相中只要有一个相通电，即可形成回路产生磁场，图中的通电顺序为A->B->C->D，即可完成上图中的顺时针旋转，如果想要逆时针旋转只需要将其倒序即可。

双极性的步进电机

下图是一个双极性的步进电机整步，步进顺序。在第一步中：将A相通电，根据电磁铁原理，产生磁性，并且因异性相吸，所以磁场将转子固定在第一步的位置；第二步：当A相关闭，B相通电时，转子会旋转90°；第三步：B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第四步中：A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。

满步驱动：

单拍满步驱动双拍满步驱动

半步驱动：

半步驱动的好处是提高分辨率，但是缺点是扭矩只有满步驱动的70%，当然，也可以通过优化线圈中电流大小，来提高半步驱动扭矩。

总结：

步距角：改变一次通电状态（或者说一个脉冲信号）电机转子对应转过的角度。θ=360°/(z*n)，θ是步距角，z是转子齿数，n是工作拍数。
在非超载情况下，电机的转速和停止位置只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数；
脉冲数越多，转动角度越大；频率越高，转动速度越快（不能超过电机规定的最高频率）。
42步进电机

这里的42一般指电机的安装尺寸42mm*42mm，同理，还有28、35、57、60，一般来说尺寸和扭矩成正比

两相：2组线圈
步距角：每走一步的角度为1.8度

步进驱动芯片BDR6622T

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

芯片框图

内部一个桥的框图：

控制：

半步模式：1-4步
满步模式：1-8步

有了上面的理论基础后

我们可以编写代码用全步或半步控制步进电机了，

接线说明

绿色A-
黑色A+
蓝色B-
红色B+

参考代码如下

main.c/* USER CODE BEGIN 0 */void motor_run(uint8_t direction,uint8_t step){if(direction == 0){//正转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{//反转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 *///改变runstep()中的direction就是改变方向，改变step就是改变步数。

示例工程

参考飞书文档