STM32如何精准控制步进电机？

在工业自动化、机器人控制等场合，步进电机以其高精度、开环控制的特性得到了广泛应用。而在嵌入式系统中，使用STM32进行步进电机的精确控制，已成为开发者的首选方案之一。

本文将从嵌入式开发者的角度，深入探讨如何基于STM32 MCU实现步进电机的精准控制，包括驱动器选择、步进模式、细分控制、速度曲线规划、闭环反馈等核心内容，助力开发者掌握高精度步进电机控制的技术要点。

一、步进电机工作原理

1. 步进电机类型

步进电机主要包括：

• 反应式步进电机（VR型）
• 永磁式步进电机（PM型）
• 混合式步进电机（HB型）

目前工业场合中，最广泛使用的是混合式步进电机（HB型），其特性为：

• 步距角小，精度高
• 保持力矩大
• 启动性能优异
  

2. 步进电机控制特性

步进电机的每一步运动都是固定角度的增量位移，且无需反馈即可实现定位控制。这种开环控制特性非常适合一些对精度要求较高，但不需要闭环反馈的场合。

二、STM32步进电机驱动电路设计

1. 硬件选型

• 主控MCU： STM32F103C8T6
• 驱动器： DRV8825（常见于3D打印机和CNC设备）
• 电机： 17HS4401（1.8°步距角，2A相电流）

2. 硬件连接

三、步进电机细分与精准运动控制

1. 步进电机的步距角计算

在普通情况下，步进电机的步距角公式为：

$$\theta =\frac{360°}{N}$$

其中：

• $\theta$ 为每步的角度
• $N$ 为步进电机的步数

例如，常见的17HS4401电机为200步/圈，其步距角为：

$$\theta =\frac{360°}{200}=1.8°$$

2. 细分控制原理

采用DRV8825进行细分驱动，可设置16细分、32细分甚至128细分，以提升角度精度。例如：

3. 控制脉冲生成

要实现精准运动控制，必须产生固定频率的脉冲信号，STM32的定时器正好可以实现这一点。

配置步骤：

1. 配置TIM2为定时器模式，产生固定频率脉冲
2. 配置GPIO控制DIR引脚，决定旋转方向
3. 使用中断服务函数ISR，控制STEP脉冲信号

示例代码：

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1); // 产生一个STEP上升沿
        delay_us(5);
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

通过调整TIM2的频率，即可精确控制步进电机的转速。

四、速度曲线规划（加减速控制）

1. 加速曲线的重要性

在实际应用中，若步进电机直接从零速到高速，会出现丢步、振动等问题，因此必须设计加速曲线。

2. 梯形加速算法

采用梯形加速算法是最常见的方案，其核心思想是：

• 加速阶段： 脉冲间隔时间逐渐减小
• 恒速阶段： 脉冲间隔保持恒定
• 减速阶段： 脉冲间隔逐渐增大

3. 代码实现

for(int i=0; i<steps; i++)
{
    delay_us(pulse_interval[i]);
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
    delay_us(5);
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}

五、闭环反馈的必要性

1. 闭环反馈原理

在高精度应用中，可以通过光电编码器实现闭环控制，确保电机实际运动与预期一致。

2. 简化反馈代码

if(target_step > actual_step)
{
    // 补偿丢失的步数
}

在实际项目开发中，还可以结合PID算法、CAN通信等技术，实现更高性能的步进电机控制系统。