4.18 二相四线步进电机
步进电机是将电脉冲信号，转变为角位移或线位移的开环控制电机，又称为脉冲电机。步进电机组成最主要的就是转子和定子部分。
- 定子，就是由电流控制磁场方向，通电时就会产生磁力；
- 转子，被定子环绕在中间受定子磁场变化产生转动（下方示意图中转动的指针）
通过给定子通电，产生磁力，将转子吸附过来，那转子就会转一小格；通过给定子连续的通电，就可以实现让转子转动。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。因此：
- 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
- 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；
- 可以通过控制绕组通电顺序，达到控制电机正反转的目的。
4.18.1 模块来源
采购链接：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.0.0.4be02e8dpoBqfX&id=642594293054&_u=72t4uge55e33
4.18.3 模块原理
二相四线步进电机，二相指的是有两个线圈，四线指的是每一个线圈有两根线。其中A+与A-为一相，B+与B-为一相。
要让它转动起来，需要给线圈连续通电。而转动方式有四拍方式、八拍方式。
四拍方式的转动顺序：【A+】->【B+】->【A-】->【B-】。
八拍方式的转动顺序：【A+】->【A+B+】->【B+】->【B+A-】->【A-】->【A-B-】->【B-】->【B-A+】。
使用磁性电机，电流越大，磁力越强。虽然直接使用开发板的 GPIO 去控制步进电机也可以，但是会有损坏开发板引脚的风险。因此我们需要考虑一个合适的步进电机驱动。
4.18.4 移植工程
4.18.4-1 引脚选择
| 步进电机 | 立创·梁山派 |
|---|---|
| A+ | PG12 |
| B+ | PB9 |
| A- | PG10 |
| B- | PB6 |
要想让步进电机动起来，我们需要先配置好引脚。引脚的配置直接配置为推挽输出模式即可。
c
#define AP_RCU RCU_GPIOG
#define AP_PORT GPIOG
#define AP_PIN GPIO_PIN_12
#define AM_RCU RCU_GPIOG
#define AM_PORT GPIOG
#define AM_PIN GPIO_PIN_10
#define BP_RCU RCU_GPIOB
#define BP_PORT GPIOB
#define BP_PIN GPIO_PIN_9
#define BM_RCU RCU_GPIOB
#define BM_PORT GPIOB
#define BM_PIN GPIO_PIN_6
#define AP(X) gpio_bit_write(AP_PORT, AP_PIN, X?SET:RESET)//A+
#define AM(X) gpio_bit_write(AM_PORT, AM_PIN, X?SET:RESET)//A-
#define BP(X) gpio_bit_write(BP_PORT, BP_PIN, X?SET:RESET)//B+
#define BM(X) gpio_bit_write(BM_PORT, BM_PIN, X?SET:RESET)//B-1
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c
/******************************************************************
* 函 数 名 称：stepper_motor_config
* 函 数 说 明：对步进电机引脚初始化
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
void stepper_motor_config(void)
{
rcu_periph_clock_enable(AP_RCU); // 开启时钟
rcu_periph_clock_enable(AM_RCU); // 开启时钟
rcu_periph_clock_enable(BP_RCU); // 开启时钟
rcu_periph_clock_enable(BM_RCU); // 开启时钟
/* 配置A+推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(AP_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,AP_PIN);
gpio_output_options_set(AP_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,AP_PIN);
/* 配置A-推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(AM_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,AM_PIN);
gpio_output_options_set(AM_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,AM_PIN);
/* 配置B+推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(BP_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,BP_PIN);
gpio_output_options_set(BP_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,BP_PIN);
/* 配置B-推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(BM_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,BM_PIN);
gpio_output_options_set(BM_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,BM_PIN);
AP(0);
BP(0);
AM(0);
BM(0);
}1
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4.18.4-2 驱动方式
本案例使用的是八拍方式驱动步进电机，则顺时针的控制方式为：
| A+ | B+ | A- | B- | |
|---|---|---|---|---|
| 第一拍 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 第二拍 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 第三拍 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 第四拍 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 第五拍 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 第六拍 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 第七拍 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 第八拍 | 1 | 0 | 0 | 1 |
将以上控制方式的顺序，转为 16 进制，得到顺时针旋转的控制码。
c
uint8_t phasecw[8] = {0x08, 0x0c, 0x04, 0x06, 0x02, 0x03, 0x01, 0x09};1
最终实现顺时针旋转的代码：
c
//顺时针，转动顺序：a+ b+ a- b-
void motor_cw(void)
{
static uint8_t i=0;
//开启了顺时针动作
if( motor_cw_flag == 1 )
{
AP ( ( phasecw[i] >> 3 ) & 0x01 );
BP ( ( phasecw[i] >> 2 ) & 0x01 );
AM ( ( phasecw[i] >> 1 ) & 0x01 );
BM ( ( phasecw[i] >> 0 ) & 0x01 );
//拍数增加
i = ( i + 1 ) % 8;
//记录当前步数
step_count++;
}
}1
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逆时针旋转同理。
| A+ | B+ | A- | B- | |
|---|---|---|---|---|
| 第一拍 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 第二拍 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 第三拍 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 第四拍 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 第五拍 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 第六拍 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 第七拍 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 第八拍 | 1 | 0 | 0 | 1 |
c
uint8_t phaseccw[8] = {0x09, 0x01, 0x03, 0x02, 0x06, 0x04, 0x0c, 0x08};
//逆时针，转动顺序：b- a- b+ a+
void motor_ccw( void )
{
static uint8_t i=0;
//如果开启了逆时针动作
if( motor_ccw_flag == 1 )
{
AP ( ( phaseccw[i] >> 3 ) & 0x01 );
BP ( ( phaseccw[i] >> 2 ) & 0x01 );
AM ( ( phaseccw[i] >> 1 ) & 0x01 );
BM ( ( phaseccw[i] >> 0 ) & 0x01 );
i=(i+1)%8;
//记录当前步数
if( step_count <= 1 ) step_count = 1;
step_count--;
}
}1
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但是，此时我们还不能够将其应用，如果现在下载程序，会发现步进电机只是在震动，没有旋转。是因为我们给的速度太快了，给完一个脉冲后，直接给下一个脉冲，步进电机还没有被吸附过去，这个脉冲就结束了。
所以我们需要给脉冲一定的延时，等待转子被吸附过去之后，再启动下一次脉冲。本案例开启了定时器 5 计时中断，作为步进电机的脉冲频率，每隔 2 Ms，更新一次脉冲。
c
/******************************************************************
* 函 数 名 称：stepper_motor_timer_config
* 函 数 说 明：步进电机脉冲更新频率定时器初始化
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：设置为2ms，即每2ms更新一次脉冲。速度太快只会震动，时间太慢速度也很慢
******************************************************************/
void stepper_motor_timer_config(void)
{
/* 一个周期的时间T = 1/f, 定时时间time = T * 周期
设预分频值位pre,周期位per
time = (pre + 1) * (per + 1) / psc_clk
*/
timer_parameter_struct timere_initpara; // 定义定时器结构体
/* 开启时钟 */
rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER5); // 开启定时器时钟
/* CK_TIMERx = 4 x CK_APB1 = 4x50M = 200MHZ */
rcu_timer_clock_prescaler_config(RCU_TIMER_PSC_MUL4); // 配置定时器时钟
timer_deinit(TIMER5); // 复位定时器
/* 配置定时器参数 */
timere_initpara.prescaler = 2000-1; // 时钟预分频值 0-65535
timere_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE; // 边缘对齐
timere_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP; // 向上计数
timere_initpara.period = 200-1; // 周期
timere_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1; // 分频因子
timere_initpara.repetitioncounter = 0; // 重复计数器 0-255
timer_init(TIMER5,&timere_initpara); // 初始化定时器
/* 配置中断优先级 */
nvic_irq_enable(TIMER5_DAC_IRQn,1,2); // 设置中断优先级为 3,2
/* 使能中断 */
timer_interrupt_enable(TIMER5,TIMER_INT_UP); // 使能更新事件中断
/* 使能定时器 */
timer_enable(TIMER5);
}1
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在定时器 5 中断中，将步进电机的动作放入，让其每隔 2ms 更新一次脉冲。
c
/************************************************
函数名称 ： BSP_TIMER_IRQHandler
功 能 ： 基本定时器中断服务函数
参 数 ： 无
返 回 值 ： 无
作 者 ： LC
*************************************************/
void TIMER5_DAC_IRQHandler(void)
{
/* 这里是定时器中断 */
if(timer_interrupt_flag_get(TIMER5,TIMER_INT_FLAG_UP) == SET)
{
// 清除中断标志位
timer_interrupt_flag_clear(TIMER5,TIMER_INT_FLAG_UP);
//顺时针旋转
motor_cw();
//逆时针旋转
motor_ccw();
}
}1
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可能会有朋友，在这里感到迷惑，为什么顺时针和逆时针放在一起，那不是就不动了吗？
我们在顺时针和逆时针函数中，加入了一个开启标志位，只有当对应标志位为 1 时，才会开启动作。
例如，我要让它顺时针旋转，那么可以这样写：
c
motor_cw_flag = 1; //开启顺时针旋转
motor_ccw_flag = 0; //关闭逆时针旋转1
2
2
而逆时针旋转，可以这样写：
c
motor_cw_flag = 0; //关闭顺时针旋转
motor_ccw_flag = 1; //开启逆时针旋转1
2
2
最终的完整代码如下：
bsp_stepper_motor.c
c
/********************************************************************************
* 文 件 名: bsp_stepper_motor.c
* 版 本 号: 初版
* 修改作者: LC
* 修改日期: 2023年04月06日
* 功能介绍:
******************************************************************************
* 注意事项:
*********************************************************************************/
#include "bsp_stepper_motor.h"
#include "systick.h"
#include "stdio.h"
#include "math.h"
uint8_t phasecw[8] = {0x08, 0x0c, 0x04, 0x06, 0x02, 0x03, 0x01, 0x09};
uint8_t phaseccw[8] = {0x09, 0x01, 0x03, 0x02, 0x06, 0x04, 0x0c, 0x08};
uint8_t motor_cw_flag = 0;
uint8_t motor_ccw_flag = 0;
uint16_t step_count = 0;
/******************************************************************
* 函 数 名 称：stepper_motor_timer_config
* 函 数 说 明：步进电机脉冲更新频率定时器初始化
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：设置为2ms，即每2ms更新一次脉冲
******************************************************************/
void stepper_motor_timer_config(void)
{
/* 一个周期的时间T = 1/f, 定时时间time = T * 周期
设预分频值位pre,周期位per
time = (pre + 1) * (per + 1) / psc_clk
*/
timer_parameter_struct timere_initpara; // 定义定时器结构体
/* 开启时钟 */
rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER5); // 开启定时器时钟
/* CK_TIMERx = 4 x CK_APB1 = 4x50M = 200MHZ */
rcu_timer_clock_prescaler_config(RCU_TIMER_PSC_MUL4); // 配置定时器时钟
timer_deinit(TIMER5); // 复位定时器
/* 配置定时器参数 */
timere_initpara.prescaler = 2000-1; // 时钟预分频值 0-65535
timere_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE; // 边缘对齐
timere_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP; // 向上计数
timere_initpara.period = 200-1; // 周期
timere_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1; // 分频因子
timere_initpara.repetitioncounter = 0; // 重复计数器 0-255
timer_init(TIMER5,&timere_initpara); // 初始化定时器
/* 配置中断优先级 */
nvic_irq_enable(TIMER5_DAC_IRQn,1,2); // 设置中断优先级为 3,2
/* 使能中断 */
timer_interrupt_enable(TIMER5,TIMER_INT_UP); // 使能更新事件中断
/* 使能定时器 */
timer_enable(TIMER5);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：stepper_motor_config
* 函 数 说 明：对步进电机引脚初始化
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
void stepper_motor_config(void)
{
rcu_periph_clock_enable(AP_RCU); // 开启时钟
rcu_periph_clock_enable(AM_RCU); // 开启时钟
rcu_periph_clock_enable(BP_RCU); // 开启时钟
rcu_periph_clock_enable(BM_RCU); // 开启时钟
/* 配置A+推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(AP_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,AP_PIN);
gpio_output_options_set(AP_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,AP_PIN);
/* 配置A-推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(AM_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,AM_PIN);
gpio_output_options_set(AM_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,AM_PIN);
/* 配置B+推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(BP_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,BP_PIN);
gpio_output_options_set(BP_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,BP_PIN);
/* 配置B-推挽输出模式 上拉模式 */
gpio_mode_set(BM_PORT,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_PULLUP,BM_PIN);
gpio_output_options_set(BM_PORT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,BM_PIN);
AP(0);
BP(0);
AM(0);
BM(0);
}
//顺时针，转动顺序：a+ b+ a- b-
void motor_cw(void)
{
static uint8_t i=0;
//开启了顺时针动作
if( motor_cw_flag == 1 )
{
AP ( ( phasecw[i] >> 3 ) & 0x01 );
BP ( ( phasecw[i] >> 2 ) & 0x01 );
AM ( ( phasecw[i] >> 1 ) & 0x01 );
BM ( ( phasecw[i] >> 0 ) & 0x01 );
//拍数增加
i = ( i + 1 ) % 8;
//记录当前步数
step_count++;
}
}
//逆时针，转动顺序：b- a- b+ a+
void motor_ccw( void )
{
static uint8_t i=0;
//如果开启了逆时针动作
if( motor_ccw_flag == 1 )
{
AP ( ( phaseccw[i] >> 3 ) & 0x01 );
BP ( ( phaseccw[i] >> 2 ) & 0x01 );
AM ( ( phaseccw[i] >> 1 ) & 0x01 );
BM ( ( phaseccw[i] >> 0 ) & 0x01 );
i=(i+1)%8;
//记录当前步数
if( step_count <= 1 ) step_count = 1;
step_count--;
}
}
//获取当前行进步数
uint16_t get_step_count(void)
{
return step_count;
}
//设置当前行进步数
void set_step_count(uint16_t num)
{
step_count = num;
}
/************************************************
函数名称 ： BSP_TIMER_IRQHandler
功 能 ： 基本定时器中断服务函数
参 数 ： 无
返 回 值 ： 无
作 者 ： LC
*************************************************/
void TIMER5_DAC_IRQHandler(void)
{
/* 这里是定时器中断 */
if(timer_interrupt_flag_get(TIMER5,TIMER_INT_FLAG_UP) == SET)
{
timer_interrupt_flag_clear(TIMER5,TIMER_INT_FLAG_UP); // 清除中断标志位
//顺时针旋转
motor_cw();
//逆时针旋转
motor_ccw();
}
}1
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bsp_stepper_motor.h
c
#ifndef _BSP_STEPPER_MOTOR_H_
#define _BSP_STEPPER_MOTOR_H_
#include "gd32f4xx.h"
#define AP_RCU RCU_GPIOG
#define AP_PORT GPIOG
#define AP_PIN GPIO_PIN_12
#define AM_RCU RCU_GPIOG
#define AM_PORT GPIOG
#define AM_PIN GPIO_PIN_10
#define BP_RCU RCU_GPIOB
#define BP_PORT GPIOB
#define BP_PIN GPIO_PIN_9
#define BM_RCU RCU_GPIOB
#define BM_PORT GPIOB
#define BM_PIN GPIO_PIN_6
#define AP(X) gpio_bit_write(AP_PORT, AP_PIN, X?SET:RESET)//A+
#define AM(X) gpio_bit_write(AM_PORT, AM_PIN, X?SET:RESET)//A-
#define BP(X) gpio_bit_write(BP_PORT, BP_PIN, X?SET:RESET)//B+
#define BM(X) gpio_bit_write(BM_PORT, BM_PIN, X?SET:RESET)//B-
extern uint8_t motor_cw_flag;
extern uint8_t motor_ccw_flag;
void stepper_motor_config(void);
void stepper_motor_timer_config(void);
uint16_t get_step_count(void);
void set_step_count(uint16_t num);
#endif1
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4.18.5 移植验证
在 main.c 中编写以下代码：
cpp
#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_adc.h"
#include "bsp_stepper_motor.h"
int main(void)
{
uint8_t motor_flag = 0;
nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2); // 优先级分组
//滴答定时器初始化 1ms
systick_config();
//串口0初始化 调试
usart_gpio_config(9600U);
//步进电机初始化
stepper_motor_config();
stepper_motor_timer_config();
while(1)
{
//状态每隔500ms，取反一次
motor_flag = !motor_flag;
//如果当前状态为1
if( motor_flag == 0 )
{
//开启顺时针旋转
motor_cw_flag = 1;
motor_ccw_flag = 0;
}
else//如果当前状态为0
{
//开启逆时针旋转
motor_cw_flag = 0;
motor_ccw_flag = 1;
}
delay_1ms(500);
}
}1
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完整的示例代码见下方文件 。
通过网盘分享的文件：立创·梁山派GD32F470ZGT6开发板【模块移植手册代码】
链接: https://pan.baidu.com/s/1pp44yjD1Dhh7U9iZ2a11IA 提取码: LCKF