基于TI DRV8424驱动步进电机实现调速和行程控制

前言

最近接手了实验室里的一个项目，需要使用TI 的DRV8424驱动芯片来驱动一个两相四线步进电机，要实现可以控制速度和电机行程，于是琢磨了几天，成功调试出来了，MCU是STM32F429。

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一、步进电机

1.基础知识

步进电机是一种把电脉冲信号转换位角位移或线位移的电动机，就是说当电机收到一个脉冲电机就旋转一个角度，这个角度叫做步距角，而电机的转速只取绝于脉冲信号的频率
步进电机按照磁激励进行分类可分为： 永磁式，反应式，混合式。
按照相数分：二相（二相四线），三/四/五相（四相五线）

二、步进电机驱动器

1.驱动器的用途

由于单片机输出的PWM信号无法直接驱动步进电机，所以需要一个驱动器来将单片机的输出信号放大以实现驱动步进电机，步进电机主要是细分驱动，将步距角以电流分配的方式来进行细分化。
步进电机静态指标有： 1.相数，2.步距角，3.拍数，4.定位转矩，通常二相的步距角为1.8°。三相为1.2°。
动态指标：1.步距角精度，2.最大空载起动频率，2.最大空载运行频率。

2.TI DRV8424 步进电机驱动芯片

因为这次所步进电机的功率和体积都很小，所以采用了TI的DRV8424芯片，其具有集成电流感应，1/256微步进，STEP/DIR接口和智能调优技术，可以通过PWM来实现调速，工作电压为4.5V至33V，最高可驱动2.5A的满量程输出电流。

引脚说明

AOUT1	绕组 A 输出。连接到步进电机绕组。
AOUT2	绕组 A 输出。连接到步进电机绕组。
PGND	电源接地。连接到系统接地。
BOUT2	绕组 B 输出。连接到步进电机绕组
BOUT1	绕组 B 输出。连接到步进电机绕组
CPH	电荷泵开关节点。在 CPH 到 CPL 之间连接一个额定电压为 VM 的X7R 0.022uF陶瓷电容
CPL	同上
DIR	方向输入。逻辑电平设置步进的方向； 内部下拉电阻。
ENABLE	逻辑低电平将禁用器件输出； 逻辑高电平则会启用； 内部上拉至DVDD。还将决定 OCP 和 OTSD 响应的类型
DVDD	逻辑电源电压。通过电容为 0.47μ F 至 1μ F、额定电压为 6.3V 或10V 的 X7R 陶瓷电容器连接至 GND。
GND	器件接地。连接到系统接地。
VREF	电流设定基准输入。最大值为 3.3V（ 对于 DRV8424） 和 2.64V（ 对于 DRV8425） 。 DVDD 可用于通过电阻分压器提供 VREF。
M0	微步进模式设置引脚。设置步进模式； 内部下拉电阻器。
M1	微步进模式设置引脚。设置步进模式； 内部下拉电阻器。
DECAY0	衰减模式设置引脚。设置衰减模式
DECAY1	衰减模式设置引脚。设置衰减模式
STEP	步进输入。上升沿使分度器前进一步； 内部下拉电阻。
VCP	电荷泵输出。通过一个 X7R 0.22μ F 16V 陶瓷电容器连接至 VM。
VM	电源。连接到电机电源电压， 并通过两个 0.01µF 陶瓷电容器（ 每个引脚一个） 和一个额定电压为 VM 的大容量电容器旁路到 PGND。
TOFF	设置电流斩波期间的衰减模式关断时间； 四电平引脚。还将设置智能调优纹波控制模式中的纹波电流。
nFAULT	故障指示。故障状态下拉低逻辑低电平； 开漏输出需要外部上拉电阻。
nSLEEP	休眠模式输入。逻辑高电平用于启用器件； 逻辑低电平用于进入低功耗休眠模式； 内部下拉电阻。 nSLEEP 低电平脉冲将清除故障。
PAD	散热焊盘。连接到系统接地。

DIR–方向控制
STEP–MUC的PWM
ENABLE–3.3V（使能电机），–0V（关闭）
nSLEEP–3.3V（取消休眠），–3V（休眠）
关于M0和M1就是用来设置细分参数


关于DECAY0和DECAY1用于设置衰减模式，建议设置成（0.0）或（0，1）

三.代码

脉冲数决定电机的行程，脉冲频率决定电机的转速，通过查找资料得知，可以通过两个定时器设置主从定时器模式来实现，或者是采用一个定时器，直接定时器中断里改输出电平去模拟脉冲输出，但电机没做闭环容易丢步，我采用的是主从定时器模式来实现。

由主定时器输出方波信号，从定时器对主定时器输出的脉冲进行计数，溢出时触发从定时器的中断服务函数。以此达到控制步进电机转动的圈数的目的，主从定时器模式需要按照下表来设置


该表来自于STM32F4XX中文参考手册

程序：
stepmotor.h

#ifndef __stepmotor_H
#define __stepmotor_H

#include "main.h"

void STEP_MOTOR_PWM_Configuration(u16 arr,u16 pre);//主定时器

void TIM3_Config(u32 PulseNum_B );//从定时器

void PWM_Output_B(u32 PulseNum_B,u8 DIR);			

void TIM3_IRQHandler(void);//从定时器中断
#endif

# include "stepmotor.h"

// 主定时器TIM2，从定时器TIM3 ，ITR1.

void STEP_MOTOR_PWM_Configuration(u16 arr,u16 pre) //主定时器设置
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef	TIM_TimeBaseStructure;
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
//	TIM_BDTRInitTypeDef     TIM_BDTRInitStructure;
	
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA | RCC_AHB1Periph_GPIOB | RCC_AHB1Periph_GPIOC | RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_TIM2); //
	
	
	// PWM PA3
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_3;		 //
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化 PB14
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period= arr-1;				
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= pre-1;			
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;		
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; 
	TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseStructure);	 //TIM2
	 
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;				
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = arr/2;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;		
						
	TIM_OC4Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
	
	TIM_SelectMasterSlaveMode( TIM2, TIM_MasterSlaveMode_Enable);		// 定时器主从模式使能
	TIM_SelectOutputTrigger( TIM2, TIM_TRGOSource_Update);
	
	TIM_OC4PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);

	TIM_ARRPreloadConfig(TIM2,ENABLE);		

void TIM3_Config(u32 PulseNum_B )//从定时器设置
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef	TIM_TimeBaseStructure;
	NVIC_InitTypeDef	NVIC_InitStructure;
	
	RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = PulseNum_B;
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInit( TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
	
	
	TIM_SelectInputTrigger( TIM3, TIM_TS_ITR1);			// TIM2-主，TIM3-从
	TIM_SelectSlaveMode( TIM3, TIM_SlaveMode_Gated);
	TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_3);
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init( &NVIC_InitStructure);
}
void PWM_Output_B( u32 PulseNum_B,u8 DIR)			// TIM2-主，TIM3-从
{
	if(DIR == 0)
			GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);//  C4--DIR
	else
			GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);//  C4--DIR

		
	TIM3_Config(PulseNum_B);
	TIM_Cmd( TIM3, ENABLE);
	TIM_ClearITPendingBit( TIM3, TIM_IT_Update);
	TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
	STEP_MOTOR_PWM_Configuration( 1000,84);		//F429:通用定时器是 84MHz, 故84MHz / 84 = 1MHz
	TIM_Cmd( TIM2, ENABLE);
	void TIM3_IRQHandler(void)
{
	if (TIM_GetITStatus( TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
	{
		TIM_ClearITPendingBit( TIM3, TIM_IT_Update);			// 清除中断标志位
		TIM_Cmd( TIM2, DISABLE);			// 关闭定时器2
		TIM_Cmd( TIM3, DISABLE);			// 关闭定时器3
		TIM_ITConfig( TIM3, TIM_IT_Update, DISABLE);
	}
}
}

main.c

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "main.h"

float motor_t;

int main(void)
{	
 	 SystemInit();
	start_up();
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_3);
	TIM7_Init(TIM7_ARR,TIM7_PRE); /* 主计时时钟初始化 */
  	usart2_Config(100000);
	Can_Init();
	PID_Init();	
  	LED_Init();
	PWM_Configuration(40,84);// 50kHz=20 ， 25KHz=40 //直流无刷电机
	ENCODER_Configuration(12800); //编码器
	
	PWM_Output_B(10000,0); //步进电机  DIR:0-正向，1-反向,
	

	while(1)
	{
		LOOP();
					
	}
	
}

在初始化程序中调用一次PWM_Output_B（）即可。