STM32通过TB6600驱动步进电机实现梯形加减速
步进电机的固定支架，小型的42步进电机，可直接选用购买时的默认支架，当使用体积的庞大，重量大的57（单电机质量5KG）、86（单电机质量10KG）步进电机时，需要考虑支架的强度，且在使用大体积，大质量步进电机时，单靠步进电机的差速无法实现转向，需要引进专门的转向机构。当使用的步进电机的运行电流超过3A时，普通的DC接头则不再满足使用需求，需要更换为XT60航空公母头接线的方式，更粗壮的电线在保证电
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目录
1 注意事项
1.1 接线
使用梯形加减速能够使步进电机快速达到运行速度，适用于响应要求高，运行速度快的要求场景，在比赛中，步进电机也是常用的电机种类之一，是开环中运行精度最高的一档。实验中使用的步进电机为42步进电机，接线方式采用共阳极接线，即将TB6600驱动器的脉冲正（PUL+）、方向正（DIR+）、使能正（ENA+）三者接在一起、最后有使能正（ENA+）引出，其余的脉冲负（PUL-）、方向负（DIR-）、使能负（ENA-）各自接到控制信号的引脚上，即可完成步进电机的接线（接线图如下）。
最后接电源线至TB6600即可，电源线应当注意正负极之分、不可反接，实验中的42步进电机使用的步进电机工作电压为24V、额定电流为
1.2 电源选择
最后接电源线至TB6600即可，电源线应当注意正负极之分、不可反接，实验中的42步进电机使用的步进电机工作电压为24V、额定电流为1.5A、扭矩0.7nm。42步进电机的工作较小，网上购买的24V电池默认的DC接头都能输出最大3a的电流，可直接接入TB6600的电源接口。
当使用的步进电机的运行电流超过3A时，普通的DC接头则不再满足使用需求，需要更换为XT60航空公母头接线的方式，更粗壮的电线在保证电池的额定输出电流时，也能保证步进电机的扭矩能正常。当电流过低，电压不足时，电机的扭矩会下降，因此，更换大功率步进电机后，电池也需要更换，电池输出线也要更换。
1.3 支架选择与转向
步进电机的固定支架，小型的42步进电机，可直接选用购买时的默认支架，当使用体积的庞大，重量大的57（单电机质量5KG）、86（单电机质量10KG）步进电机时，需要考虑支架的强度，且在使用大体积，大质量步进电机时，单靠步进电机的差速无法实现转向，需要引进专门的转向机构。转向机构的选择可参考舵轮的转向结构
2 STM32的控制代码
2.1 输入参数
stm32端的控制代码输入端较为简单，需要输入的参数有：运行距离、加速度、减速度、稳定运行时的速度，一般来说，比赛中需要变更的只有运行距离即可，通过上位机下发命令，运行指定的距离，为了抵达指定的运行距离而减少丢步。需要考虑步进电机的负载不可过大，步进电机的加速度，减速度和运行速度均不可过大，一旦过大，就会存在严重的丢步，导致运行距离达不到理想的位置。
2.2 运行距离的计算
使用的步进电机为42步进电机，额定扭矩0.7Nm、步距角1.8度，额定电压24V，额定电流1.5A,假使输入的电压、电流都达到了额定值，负载在步进电机的承受范围内，则可根据代码调整TB6600的细分数，我使用的细分数是1600，即1600个脉冲旋转一圈。在代码中，步进电机的细分数为8细分。其计算值为
脉冲数=(圈数/步距角)*细分数
当要根据赛场上的实际距离去计算时，则可进行距离的二次计算
设车轮的直径（d）为10cm，则其转一圈的位移为：，即1600个脉冲使一个直径10cm的轮子位移了 31.415926535897cm,即可推算出一个脉冲可使轮子运行的距离为0.0196349540849cm，所以距离所需要的脉冲数最终计算公式为
脉冲数=（目标距离/单脉冲距离行程）
2.3 STM32与TB6600接线
TB6600 STM32F103c8t6
PUL+
DIR+ VCC
EN+
PUL- PA6
DIR- PB13
EN- PB14
2.4 代码
Motor.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Motor.h"
#include "Motor_Init.h"
#include <math.h>
speedRampData srd= {STOP,0,0,0,0,0,0}; //加减速变量
uint8_t motor_sta = 0;//电机状态
/*
step 移动步数（正数为正转，负数为逆时针）
accel 加速度,实际值为accel*0.1*rad/sec^2 10倍并且2个脉冲算一个完整的周期
decel 减速度,实际值为decel*0.1*rad/sec^2
speed 最大速度,实际值为speed*0.1*rad/sec
*/
void MOTOR_Move(int32_t step, uint32_t accel, uint32_t decel, uint32_t speed)
{
uint16_t tim_count; //存放中断时刻的计数值
unsigned int max_s_lim; //达到最大速度时的步数
unsigned int accel_lim; //必须开始减速的步数（如果还没有加速度到最大速度时）
if(motor_sta!= STOP) //只允许步进电机在停止的时候才继续
return;
if(step < 0) //逆时针
{
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13); //PA13为方向引脚，输出高电平
step = -step;
}
else //顺时针
{
GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13); //PA13为方向引脚，输出低电平
}
if(step == 1) // 如果只移动一步
{
srd.accel_count = -1; // 只移动一步
srd.run_state = DECEL; // 减速状态
srd.step_delay = 1000; // 短延时
}
else if(step != 0) // 步数不为零才移动
{
srd.min_delay = (int32_t)(A_T_x10/speed); // 设置最大速度极限, 计算min_delay用于定时器的计数器的值min_delay = (alpha / tt)/ w
srd.step_delay = (int32_t)((T1_FREQ_148 * sqrt(A_SQ / accel))/10); // 通过计算第一个(c0) 的步进延时来设定加速度,其中accel单位为0.01rad/sec^2
// step_delay = 1/tt * sqrt(2*alpha/accel)
// step_delay = ( tfreq*0.69/10 )*10 * sqrt( (2*alpha*100000) / (accel*10) )/100
max_s_lim = (uint32_t)(speed*speed/(A_x200*accel/10)); //计算多少步之后达到最大速度的限制 max_s_lim = speed^2 / (2*alpha*accel)
if(max_s_lim == 0) //如果达到最大速度小于0.5步，我们将四舍五入为0,但实际我们必须移动至少一步才能达到想要的速度
{
max_s_lim = 1;
}
accel_lim = (uint32_t)(step*decel/(accel+decel)); // 计算多少步之后我们必须开始减速,n1 = (n1+n2)decel / (accel + decel)
if(accel_lim == 0) // 我们必须加速至少1步才能开始减速
{
accel_lim = 1;
}
if(accel_lim <= max_s_lim) //加速阶段到不了最大速度就得减速。。。使用限制条件我们可以计算出减速阶段步数
{
srd.decel_val = accel_lim - step; //减速段的步数
}
else
{
srd.decel_val = -(max_s_lim*accel/decel); //减速段的步数
}
if(srd.decel_val == 0) // 不足一步 按一步处理
{
srd.decel_val = -1;
}
srd.decel_start = step + srd.decel_val; //计算开始减速时的步数
if(srd.step_delay <= srd.min_delay) // 如果一开始c0的速度比匀速段速度还大，就不需要进行加速运动，直接进入匀速
{
srd.step_delay = srd.min_delay;
srd.run_state = RUN;
}
else
{
srd.run_state = ACCEL;
}
srd.accel_count = 0; // 复位加速度计数值
}
motor_sta = 1; // 电机为运动状态
tim_count = TIM_GetCounter(TIM3); //获取计数值
TIM_SetCompare1(TIM3,tim_count+srd.step_delay/2); //设置定时器比较值
TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_CC1,ENABLE); //使能定时器通道
TIM_CCxCmd(TIM3,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Enable);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //开启定时器
}
void speed_decision() //中断执行函数
{
__IO uint32_t tim_count=0;
__IO uint32_t tmp = 0;
uint16_t new_step_delay=0; // 保存新（下）一个延时周期
__IO static uint16_t last_accel_delay=0; // 加速过程中最后一次延时（脉冲周期）.
__IO static uint32_t step_count = 0; // 总移动步数计数器
__IO static int32_t rest = 0; // 记录new_step_delay中的余数，提高下一步计算的精度
__IO static uint8_t i=0; //定时器使用翻转模式，需要进入两次中断才输出一个完整脉冲
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_CC1)== SET)
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_CC1); // 清楚定时器中断
tim_count = TIM_GetCounter(TIM3); //获取计数值
tmp = tim_count+srd.step_delay/2;
TIM_SetCompare1(TIM3,tmp); // 设置比较值
i++;
if(i==2) //中断两次为一个脉冲
{
i=0;
switch(srd.run_state)
{
case STOP: //停止状态
step_count = 0;
rest = 0;
TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_CC1);
TIM_CCxCmd(TIM3,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
TIM_Cmd(TIM3, DISABLE); //单个电机可以关闭定时器，多个电机只关闭通道即可
motor_sta = 0;
break;
case ACCEL: //加速状态
step_count++;
srd.accel_count++;
new_step_delay = srd.step_delay - (((2 *srd.step_delay) + rest)/(4 * srd.accel_count + 1));//计算新(下)一步脉冲周期(时间间隔)
rest = ((2 * srd.step_delay)+rest)%(4 * srd.accel_count + 1); // 计算余数，下次计算补上余数，减少误差
if(step_count >= srd.decel_start) //检查是够应该开始减速
{
srd.accel_count = srd.decel_val; //加速计数值为减速阶段计数值的初始值
srd.run_state = DECEL; //下个脉冲进入减速阶段
}
else if(new_step_delay <= srd.min_delay) //检查是否到达期望的最大速度
{
last_accel_delay = new_step_delay; //保存加速过程中最后一次延时（脉冲周期）
new_step_delay = srd.min_delay; // 使用min_delay（对应最大速度speed）
rest = 0; //清零余值
srd.run_state = RUN; //设置为匀速运行状态
}
break;
case RUN:
step_count++; // 步数加1
new_step_delay = srd.min_delay; // 使用min_delay（对应最大速度speed）
if(step_count >= srd.decel_start) // 需要开始减速
{
srd.accel_count = srd.decel_val; // 减速步数做为加速计数值
new_step_delay = last_accel_delay; // 加阶段最后的延时做为减速阶段的起始延时(脉冲周期)
srd.run_state = DECEL; // 状态改变为减速
}
break;
case DECEL:
step_count++; // 步数加1
srd.accel_count++; // 是个负数
new_step_delay = srd.step_delay - (((2 * srd.step_delay) + rest)/(4 * srd.accel_count + 1)); //计算新(下)一步脉冲周期(时间间隔)
rest = ((2 * srd.step_delay)+rest)%(4 * srd.accel_count + 1); // 计算余数，下次计算补上余数，减少误差
if(srd.accel_count >= 0) //检查是否为最后一步 是个负数所以要判断 大于等于零时 应该就是减速结束
{
srd.run_state = STOP;
}
break;
}
srd.step_delay = new_step_delay; // 为下个(新的)延时(脉冲周期)赋值
}
}
}
void TIM3_IRQHandler(void)
{
speed_decision();
}
Motor.h
#ifndef __Motor_H
#define __Motor_H
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "math.h"
typedef struct
{
uint8_t run_state; //电机旋转状态
uint8_t dir ; //电机旋转方向
int step_delay; //下个脉冲周期（时间间隔）启动时为加速度
int decel_start; //启动减速位置
int decel_val; //减速阶段步数
int min_delay; //最小脉冲周期（最大速度，即匀速段的速度）
int accel_count; //加速阶段计数值
}speedRampData;
#define TRUE 1
#define FALSE 0
/*电机速度决策中的四个状态*/
#define STOP 0 // 停止状态
#define ACCEL 1 // 加速状态
#define DECEL 2 // 减速状态
#define RUN 3 // 匀速状态
#define TIM_PRESCALER 32
#define T1_FREQ (SystemCoreClock/(TIM_PRESCALER+1)) //定时器频率
/*电机单圈参数*/
#define STEP_ANGLE 1.8 //步进电机的步距角 单位：度
#define FSPR 200 //步进电机单圈步数
#define MICRO_STEP 8 //细分器细分数
#define SPR (FSPR*MICRO_STEP) //16细分的步数
//数学常数，用于MSD_MOVE函数的简化计算
#define ALPHA ((float)(2*3.14159/SPR)) // α= 2*pi/spr
#define A_T_x10 ((float)(10*ALPHA*T1_FREQ))
#define T1_FREQ_148 ((float)((T1_FREQ*0.676)/10)) // 0.69为误差修正值(计算过程，文档中有写)
#define A_SQ ((float)(2*100000*ALPHA))
#define A_x200 ((float)(200*ALPHA))
void MOTOR_Move(int32_t step, uint32_t accel, uint32_t decel, uint32_t speed);
extern void speed_decision(void);
#endif
Motor_Init.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Motor_Init.h"
#include "Motor.h"
//GPIO口初始化
void MOTOR_GPIO_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启PA端口时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //开启PB端口时钟
/* 步进电机驱动器：脉冲输出PA6 */
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; //复用输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/* 步进电机驱动器：方向控制 PB13*/
/* 步进电机驱动器：使能控制PB14 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
//定时器初始化
void MOTOR_TIM_Init(void)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
TIM_InternalClockConfig(TIM3);
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频因子，数字滤波采样频率的参数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536-1; //ARR
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = TIM_PRESCALER; //PSC
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //高级定时器功能
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle; //翻转模式
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //CCR 比较值
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Disable); //关闭预装载
TIM_CCxCmd(TIM3,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_CC1); //清除定时器3的通道1的标志位
TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_CC1,ENABLE); //开启定时器3的通道1中断
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //分组
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
Motor_Init.h
#ifndef __Motor_Init_H
#define __Motor_Init_H
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "math.h"
#include "Motor.h"
//输出比较模式周期设置为0xFFFF
#define TIM_PERIOD 0xFFFF
void MOTOR_GPIO_Init(void);
void MOTOR_TIM_Init(void);
#endif
main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "Motor.h"
#include "Motor_Init.h"
uint32_t set_speed = 1000; // 最大速度设置 单位为0.1rad/sec
uint32_t step_accel =25; // 加速度 单位为0.1rad/sec^2
uint32_t step_decel = 25; // 减速度 单位为0.1rad/sec^2
uint32_t step=1600;
//extern uint8_t motor_sta ;
int main(void)
{
MOTOR_GPIO_Init();
MOTOR_TIM_Init();
MOTOR_Move(step*20,step_accel,step_decel,set_speed); //需要时调用
while (1)
{
}
}
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