2021年12月31日 | STM32F103单片机使用ULN2003驱动步进电机

最近整理东西，突然发现以前买的一个步进电机模块，以前使用5V单片机驱动的。突然想试试能不能用STM32F103单片机的3.3V直接驱动ULN2003这个芯片。

试了一下ULN2003可以用3.3V电压直接驱动。下面分享下电机驱动的过程。

先看看实物图

单片机使用的是STM32F103C8T6最小系统。电机和驱动板是网上买的整套模块。

驱动板的原理图如下

步进电机使用的是5线4相直流减速步进电机   直径：28mm  电压：5V  步进角度：5.625 x 1/64  减速比：1/64

步距角：5.625 / 64 = 0.087度 （也就是说理论上，你给一个脉冲，电机外部轴转动0.087度）也就是说一个脉冲内部转子转5.625度，但是由于减速64倍，所以外部轴只转了0.087度那么外部轴要转一圈的话，需要360/0.087=4096个脉冲。采用4相8拍驱动的话，8个脉冲是一个周期，那么就需要4096/8=512个周期，外部轴刚好转一圈。

电机的驱动一般分为3种方法

一.  1相励磁法：每一瞬间只有一个线圈相通，其它休息。

（优点）简单，耗电低，精确性良好。

（缺点）力矩小，振动大，每次励磁信号走的角度都是标称角度。  1相励磁法  A->B->C->D

二、 2相励磁法：每一瞬间有两个线圈导通。

（优点）力矩大，震动小。

（缺点）每励磁信号走的角度都是标称角度。2相励磁法  AB->BC->CD->DA

三、 1-2相励磁法：1相和2相交替导通。

（优点）精度较高，运转平滑，每送一个励磁信号转动1/2标称角度，称为半步驱动。（前两种称为4相4拍，这一种称为4相8拍）

1-2相励磁法  A-->AB-->B->BC->C-->CD->D-->DA

下面就用代码来实现这三种方式

ULN2003这个小驱动板上IN1、IN2、IN3、IN4四个插针和单片机的 IO口直接用杜邦线连接，为了方便控制，首先定义好要使用的 IO口。就直接在LED的工程上修改。

首先新建一个bsp_motor.h的头文件，在头文件里面进行端口声明。

#define LA    PBout(6) //A 相

#define LB    PBout(7) //B 相

#define LC    PBout(8) //C 相

#define LD    PBout(9) //D 相

/* 定义电机连接的GPIO端口, 用户只需要修改下面的代码即可改变控制电机的引脚 */

#define LA_GPIO_PORT    GPIOB                 /* GPIO端口 */

#define LA_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOB /* GPIO端口时钟 */

#define LA_GPIO_PIN GPIO_Pin_6

#define LB_GPIO_PORT    GPIOB

#define LB_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOB

#define LB_GPIO_PIN     GPIO_Pin_7

#define LC_GPIO_PORT    GPIOB

#define LC_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOB

#define LC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_8

#define LD_GPIO_PORT    GPIOB

#define LD_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOB

#define LD_GPIO_PIN     GPIO_Pin_9

这里使用PB口的6、7、8、9四个端口来控制，端口使用了位带定义的方法，这样用程序控制起来更方便。关于位带定义可以自己查阅相关资料。端口和时钟都使用了宏定义重新命名。这样以后需要更改IO口的时候，只需要在头文件中更改，不需要更改程序中的代码，方便程序移植。  

下面开始编写驱动代码，首先使用1相励磁法，也就是使4个IO口轮流为高电平，可以直接使用位带操作，依次给LA、LB、LC、LD给高电平。但是这样写的话每一种驱动方式都要写一个驱动函数，为了使操作起来更方便，将这4个口的值组成一个字节，并存在数组中，通过下标轮流调用数组中的数就行。这里将LA作为字节得最低位bit0，将LD作为字节第3位bit3。

这样电机导通相序为  D-C-B-A时，定义数组中的值为

u8 phasecw[4] = {0x08, 0x04, 0x02, 0x01};

电机导通相序为   A-B-C-D 是，数组中的值为

u8 phaseccw[4] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08};

下面新建bsp_motor.c文件，并在里面编写一个函数来调用这个数组就行了

void MotorCW( void )

{

    u8 i;

    u8 temp = 0;

    for( i = 0; i < 4; i++ )

    {

        temp = phasecw[i];

        LD = ( temp >> 3 ) & 0x01; //取bit4的值

        LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;

        LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;

        LA = ( temp >> 0 ) & 0x01; //取bit0的值

        delay_ms( 2 );

    }

}

通过一个for循环，依次读取数组中的值，然后根据A、B、C、D四相的位置，去读取对应位的值，直接赋值给 IO口。这样电机驱动的函数就写好了，在主程序中直接调用这个函数就可以控制电机转动了。

如果要改成 2相励磁法驱动的话，直接替换数组中的数据就行。

u8 phasecw[4] = {0x0c, 0x06, 0x03,0x09};   //正转 电机导通相序  DC-CB-BA-AD

u8 phaseccw[4] = {0x03, 0x06, 0x0c, 0x09}; //反转 电机导通相序  AB-BC-CD-DA

如果要改成 1-2相励磁法，依然是直接修改数组中的值就行。

u8 phasecw[8] = {0x08, 0x0c, 0x04, 0x06, 0x02, 0x03, 0x01, 0x09}; //正转 电机导通相序  D-DC-C-CB-B-BA-A-AD

u8 phaseccw[8] = {0x01, 0x03, 0x02, 0x06, 0x04, 0x0c, 0x08, 0x89}; //反转 电机导通相序  A-AB-B-BC-C-CD-D-DA

通过 1-2相励磁法控制的话，每次需要发送8个脉冲，也就是4相8拍，这样一个周期需要发送8个数组，要在for循环中将循环数量改为8。

void MotorCW( void )

{

    u8 i;

    u8 temp = 0;

    for( i = 0; i < 8; i++ )

    {

        temp = phasecw[i];

        LD = ( temp >> 3 ) & 0x01; //取bit4的值

        LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;

        LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;

        LA = ( temp >> 0 ) & 0x01; //取bit0的值

        delay_ms( 2 );

    }

}

然后在主程序中直接调用这个函数就可以让电机转起来了。

int main( void )

{

    NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );

    Motor_GPIO_Config();

    while ( 1 )

    {      

      MotorCW();   

    }

}

这样看来驱动电机是很简单的用keil模拟的仿真波形

1相励磁法  D-C-B-A

2相励磁法 DC-CB-BA-AD

1-2相励磁法 D-DC-C-CB-B-BA-A-AD

波形和理论相符，说明驱动是正确的。

到这里应该就结束了，但是又手贱的给主程序加了个LED闪灯的程序，这一加出事了。

int main( void )

{

    u16 cnt = 0;

    NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );

    LED_GPIO_Config();

    Motor_GPIO_Config();

    while ( 1 )

    {

        LED1_TOGGLE;

        MotorCW();

    delay_ms(20);

    }

}

主程序中加了一个20ms的延时，同时让LED灯翻转。程序烧进去之后，发现电机不转了。这是怎么回事？赶紧看看仿真波形。

这一看发现了问题，A项的波形怎么高电平突然变长了？

u8 phasecw[4] = {0x08, 0x04, 0x02, 0x01};

数组中依次给的值是8、4、2、1，也就是D、C、B、A相依次为高电平，其他三相高电平只持续了2ms，但是A相的电平持续了20多ms，这是什么原因？仔细分析程序执行流程后发现了问题所在。在for循环中依次给4个相赋值，A相位最后一个赋值，当给A项赋值时，其他3项为低电平，A项为高电平，然后程序退出for循环，回到主程序中，此时又执行了20ms的延时，这时A项的电平还是最后一次赋值的高电平。将这20ms延时去掉后，电机正常运转，波形也正常了。也就是说就是这个延时影响了电机的转动。

那么主程序中就不能用延时了吗？LED闪烁功能都实现不了了吗？还能让一个电机驱动程序把单片机霸占了不成？这当然是不行了，一定要将这个问题的根源找到，既然是最后一次给A项赋值后，A项高电平没有复位，那么就手动让A项复位。强制让A项的电平归零。

在增加一个复位的函数

void MotorStop( void )

{

    LA = 0;

    LB = 0;

    LC = 0;

    LD = 0;

}

这个函数强制的将四相复位，然后在电机驱动的时候，每次执行完一个周期，就强制让这4项复位。

void MotorCW( void )

{

    u8 i;

    u8 temp = 0;

    for( i = 0; i < 4; i++ )

    {

        temp = phasecw[i];

        LD = ( temp >> 3 ) & 0x01; //取bit4的值

        LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;

        LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;

        LA = ( temp >> 0 ) & 0x01; //取bit0的值

        delay_ms( 2 );

    }

    MotorStop(); //一个周期转动结束后需要复位所有相，否则最后一项如果被设置为高电平后会持续维持高电平。

}

增加复位功能后，主程序中依然加上20ms延时，继续仿真查看波形。

这下波形正常了，下载程序后电机也缓慢转动起来了，LED灯也开始闪烁了。说明刚开始驱动时只想到了相位的逻辑，但是没有考虑到相位复位的问题，考虑问题还是不全面。

下来在主程序中加上电机正反转功能，让电机正转一圈，然后又反转一圈。

int main( void )

{

    u16 cnt = 0;

    NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );

    LED_GPIO_Config();

    Motor_GPIO_Config();

    while ( 1 )

    {

        cnt++;

        if( cnt <= 512 ) //采用4相8拍，512个周期刚好是一圈

            MotorCW(); //正转

        else if( cnt <= 1024 )

            MotorCCW(); //反转

        else

        {

            cnt = 0;

            LED1_TOGGLE;

            delay_ms( 500 );

        }

    }

}

这里采用4相8拍驱动，8个脉冲是一个周期，那么就需要4096/8=512个周期，外部轴刚好转一圈。计数器小于512时正转，计时器在512和1024之间时反转。然后LED灯翻转一次，在延时500ms。 这里还要注意一个问题，在电机驱动函数中，每个脉冲的延时时间经过实际测试不能小于2ms，延时太小的时候，电机抖动严重，但是不会转动。延时越大，电机转动越慢。

到此电机驱动程序已经完美运行了。