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1.前言
步进电机在机械结构中的运动部件很常见，常用作机械运动的动力源。在使用时，步进电机一般是要搭配驱动器一块使用。
我们知道步进电机在控制上一般需要使能信号，方向信号和PWM脉冲。而驱动器的作用就是根据前三者的输入，转化为A相和B相的输出。A相和B相分开来看都是脉冲信号。可以通过A相信号的相位领先B相信号的相位90°或者反之，来决定电机是正传还是反转。进一步了解，可阅读：正交脉冲信号在电机中的作用
2.步进电机控制原理
步进电机是基于电流的磁效应原理来设计的。在步进电机内部有一个定子和转子。定子位置固定，通电可产生磁场。转子是一个永磁体，可以旋转。所以，步进电机的控制就是 当定子通电时，产生磁场，作用于转子，使得转子运动。
前言中，我们讲到，步进电机要搭配驱动器一块使用。一般，我们通过嵌入式程序来控制驱动器。输入驱动器的PWM脉冲数决定了步进电机的行程，PWM脉冲的频率决定了步进电机转动的快慢。频率越高，转动越快。
前言中，我们介绍了，步进电机中最核心的两个部件是定子和转子。具体，我们看下图。
前言中，我们介绍了，步进电机是通过A相和B相信号的相位差来决定转动方向的。具体，是如何实现的呢？请看下图。
如图所示，是控制转子按顺时针寻转。
第一步：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°。
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。
把上述四个步骤，A相和B相的操作互换。即实现了逆时针旋转。
3 程序控制步进电机加减速运动
前面介绍了，步进电机是靠PWM脉冲的快慢来控制电机转动的快慢的。PMW频率越快，电机转动越快。但电机的转速不可能无限快。
我们初始设置pwm脉冲的频率在一个高点时，很有可能遇到电机不转动，发出“咯噔咯噔”的声音的情况，或者电机运行过程中声音特别沉闷，没有走到预期的位置。这下情况下，是因为电机发生了失步。所谓失步，是指电机时机运行的步数不到控制板软件发生的理论步数。
我们理论分析一下：当电机设置的初始速度很高时，电机扭矩就会变小（两者成反比，有点类似汽车在上坡的时候要减速，获得更大的牵引力）。如果扭矩不够，就可能出现电机带动不了负载 ，电机不转动的情况。一般来说，即使是带动相同的负载，从静止到运动和运动过程中，需要克服的阻力（静摩擦力和负载）不同。初始运动时，需要扭矩大一些，运动起来了，可以减少扭矩。
这种情况下，通过调整驱动器的拨码来设置更大的电流，会使情况有所改善。
但是，如果电流设置过大，长时间运行可能使得电机发热很严重，此时因驱动器保护可能降低为比较小的电流或者因发热过大，使得扭矩不足，上述情况可能会出现电机失步，较正常过程，电机声音会特别沉闷，走动时显得不平缓，最终不能走到预期的位置。
基于：从静止到运动，未为获得较大的扭矩，使得电机能够运动起来，一般电机初始速度不宜设置较大，等运动起来开后，再调大速度。这个过程我们叫电机的加速过程。
如图所示，很形象的展示了电机的加减速过程（减速过程是为了避免电机因速度过大，突然停止造成过冲）。
代码实现（以GD32标准库代码为例）：
定时器产生pwm脉冲输出：
/*
* 产生PWM，作为刷架电机的输入。频率越高，刷架电机转动越快。PWM产生的脉冲数，即刷架电机运动的脉冲数。
* Timer3属于APB1
* 系统时钟SYSCLK 21Mhz
* APB1是系统时钟128分频，1.3125MHz
* APB2是系统时钟16分频，10.5MHz
* TIMER5和TIMER6属于APB1,APB1的时钟
*/
void Timer_ShuaJia_PWM_Config(uint16_t prsc, uint32_t period, uint32_t pulse)
{/* GPIO初始化 *//* 配置GPIO *//* 使能GPIO时钟 */rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOD);/* GPIO引脚复用 */gpio_af_set(GPIOD, GPIO_AF_2, GPIO_PIN_15);gpio_mode_set(GPIOD, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_15);/* 配置GPIO输出模式和速度 */gpio_output_options_set(GPIOD, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_MAX, GPIO_PIN_15);/* 使能TIMER1时钟 */rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER3);/* TIMER1复位 */timer_deinit(TIMER3);/* =======================配置TIMER1时基单元================== */timer_parameter_struct timer_initpara;/* TIMER1结构体初始化 */timer_struct_para_init(&timer_initpara);timer_initpara.prescaler = prsc - 1;timer_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;timer_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;timer_initpara.period = (uint64_t)(period - 1);timer_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;timer_initpara.repetitioncounter = 0;timer_init(TIMER3, &timer_initpara);/* =====================配置TIMER1输出比较单元================= */timer_oc_parameter_struct timer_oc_initstruct;/* 通道空闲状态 */timer_oc_initstruct.ocidlestate = TIMER_OC_IDLE_STATE_LOW;/* 互补通道空闲状态 */timer_oc_initstruct.ocnidlestate = TIMER_OCN_IDLE_STATE_HIGH;/* 互补通道输出极性 */timer_oc_initstruct.ocnpolarity = TIMER_OCN_POLARITY_HIGH;/* 通道输出极性 */timer_oc_initstruct.ocpolarity = TIMER_OC_POLARITY_HIGH;/* 互补通道输出失能 */timer_oc_initstruct.outputnstate = TIMER_CCXN_DISABLE;/* 通道输出使能 */timer_oc_initstruct.outputstate = TIMER_CCX_ENABLE;timer_channel_output_config(TIMER3, TIMER_CH_3, &timer_oc_initstruct);/* =====================配置输出模式和比较值================== *//* 配置输出比较模式 */timer_channel_output_mode_config(TIMER3, TIMER_CH_3, TIMER_OC_MODE_PWM0);/* 配置比较值 */timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER3, TIMER_CH_3, pulse);/* 使能通道输出比较影子寄存器 */timer_channel_output_shadow_config(TIMER3, TIMER_CH_3, TIMER_OC_SHADOW_ENABLE);/* 使能通道输出 */timer_primary_output_config(TIMER3, DISABLE);/* 使能定时器自动重载影子寄存器 */timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER3);/* 清除中断标志位 */timer_interrupt_flag_clear(TIMER3, TIMER_INT_FLAG_UP);/* 使能TIMER1中断 */timer_interrupt_enable(TIMER3, TIMER_INT_UP);/* 使能NVIC */nvic_irq_enable(TIMER3_IRQn, 0, 0); /* 使能TIMER1 *///timer_enable(TIMER3);
}void stepper_shuajia_start(void)
{/* 使能通道输出 */timer_enable(TIMER3);//timer_channel_output_state_config(TIMER3, TIMER_CH_3, DISABLE); // 通道3
}/*** @brief 停止电机转动* @retval None*/
void stepper_shuajia_stop(void)
{/* 去使能通道输出 */timer_disable(TIMER3);//timer_channel_output_state_config(TIMER3, TIMER_CH_3, DISABLE); // 通道3
}
*** @brief 设置电机速度（通过修改PWM频率） 输入TIMER1的时钟为系统时钟168M 4分频，再2倍频为84MHz* @param speed: 目标速度(Hz)* @param psc: 预分频值，需与Timer_PWM_Config的参数保持一致* @retval None*/
void stepper_set_speed(uint32_t speed)
{
// 计算定时器时钟频率（假设为系统时钟的一半）uint32_t timer_clock = SystemCoreClock / 4 *2;// 输入TIMER1的时钟为系统时钟168M 4分频，再2倍频为84MHz// 计算所需的总计数周期 (PSC+1)*(ARR+1) = timer_clock / speeduint32_t total_ticks = timer_clock / speed;// 处理最小频率限制if (total_ticks == 0) total_ticks = 1;uint32_t psc, arr;// 计算PSC和ARR值if (total_ticks <= 65536) {// 当总周期小于65536时，PSC=0（不分频）psc = 0;arr = total_ticks - 1;} else {// 当总周期较大时，计算PSC分频值psc = total_ticks / 65536;if (psc > 65535) psc = 65535; // 限制PSC最大值arr = (total_ticks + psc) / (psc + 1) - 1; // 优化取整if (arr > 65535) arr = 65535; // 限制ARR最大值}// 计算50%占空比的CCR值（取整数部分）uint32_t pulse = (arr + 1) / 2;/* 更新定时器配置 *///timer_disable(TIMER1);timer_prescaler_config(TIMER3, psc, TIMER_PSC_RELOAD_NOW);timer_autoreload_value_config(TIMER3, arr);//该函数的配置生效时机由timer_prescaler_config的TIMER_PSC_RELOAD_NOW决定。可选：立即生效或下次更新事件生效/* 配置比较值 */timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER3, TIMER_CH_3, pulse);//同上timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER3, TIMER_CH_2, pulse);//同上 //timer_enable(TIMER1);
}
main函数
/*
* 系统时钟SYSCLK 168Mhz
* APB1是系统时钟4分频，42MHz
* APB2是系统时钟2分频，84MHz
* Timer3属于APB1
*/
// 测试 刷架电机pwm输出控制
void test_shuajia_pwm(void)
{Timer_capture_Config(100, 1000);/* 方波频率 = 定时器输入时钟频率 / 预分频值psc / 自动重载值period *//* TIMER3的时钟为1.3125MHz ,设置刷架PWM初始速率为60kHz,占空比为50%，满足脉冲低电平的持续时间不应少于 5μs */ Timer_ShuaJia_PWM_Config(42, 400, 300);//Timer_LaShen_PWM_Config Timer_ShuaJia_PWM_Config 5, 175, 50 100, 100, 50 43, 100, 50stepper_set_speed(500);SHUAJIA_ENABLE_SET(1);SHUAJIA_DIR_SET(1);//printf("SHUAJIA_DIR=%d\n", SHUAJIA_DIR);delay_1ms(10);pwm_pulse_output_count= 0;stepper_shuajia_start();//stepper_lashen_start stepper_shuajia_startwhile (1) //测试强度数据{if((BRUSH_ZERO == 0) && (SHUAJIA_DIR == 1)){stepper_shuajia_stop();pwm_pulse_output_count= 0;SHUAJIA_DIR_SET(0);delay_1ms(10000);stepper_shuajia_start();} if ((BRUSH_ZERO != 0) && (SHUAJIA_DIR != 1)&&(pwm_pulse_output_count >= 6400)){stepper_shuajia_stop();pwm_pulse_output_count= 0;SHUAJIA_DIR_SET(1);delay_1ms(10000);stepper_shuajia_start();}printf("pwm_pulse_output_count=%d\n", pwm_pulse_output_count);//printf("pwm_pulse_output_count=%d\n", pwm_pulse_output_count);//printf("pwm_pulse_capture_count=%d\n", pwm_pulse_capture_count);}
}
中断函数中，实现电机加减速控制：
/* 定时器中断服务函数 pwm脉冲计数 */
void TIMER3_IRQHandler(void)
{// TIMER2 通道0 更新中断if (timer_interrupt_flag_get(TIMER3, TIMER_INT_FLAG_UP) != RESET) { timer_interrupt_flag_clear(TIMER3, TIMER_INT_FLAG_UP); // 清除中断标志pwm_pulse_output_count++;switch(pwm_pulse_output_count){case 30:stepper_set_speed(800); break; case 40:stepper_set_speed(1000);break;case 50:stepper_set_speed(1500);break; case 60:stepper_set_speed(2000);break;case 70:stepper_set_speed(3000);break; case 80:stepper_set_speed(3500);break;case 90:stepper_set_speed(4000);break;case 95:stepper_set_speed(5000);break; case 100:stepper_set_speed(6000);break; case 6300:stepper_set_speed(5000);break; case 6305:stepper_set_speed(4000);break; case 6310:stepper_set_speed(3500);break; case 6320:stepper_set_speed(3000);break;case 6330:stepper_set_speed(2000);break; case 6340:stepper_set_speed(1000);break; case 6350:stepper_set_speed(800);break;default:break; }//if (pwm_pulse_output_count >= target_pulse_count) {//timer_disable(TIMER3); // 关闭定时器//timer_channel_output_state_config(TIMER2, TIMER_CH_0, DISABLE); // 关闭PWM输出//}}
}
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