基于STM32的步進電機速度控制

項目需求

在制作一個使用全向輪的機器人底盤，對于全向輪，電機的精度是影響效果的重要因素。所以使用了步進電機，使用步進電機的優點是可以不使用編碼器，開環控制即可達到高精度的效果。

調整占空比或者調整周期

眾所周知，PWM有兩個重要參數，周期與占空比。
步進電機的運動方式是，每收到一個脈沖,就旋轉指定的角度。因此影響電機速度的唯一參數就是PWM的頻率。以下附圖兩張來說明調整占空比與調整周期的區別。

周期固定，調整占空比

上圖中有4個PWM，它們的周期是一樣的，不同之處是擁有從80%至20%的占空比?？梢钥闯?，無論占空比為多少，在1s內，它們產生的高電平的數量是一樣的，即無論占空比為多少，PWM的頻率都一致。因此也就無法調整步進電機的速度。因為步進電機的速度僅與PWM的頻率有關。

占空比固定，調整周期

上圖中有4個PWM，它們的占空比都固定為50%，卻擁有不同的周期?？梢钥闯?，即使占空比固定，只要動態調整周期，PWM就能在相同時間內產生數量不同的脈沖。因此，固定占空比，動態調整PWM周期，即可達到控制步進電機速度的效果。

基于STM32的實現

在STM32F1中，定時器具有PWM模式，可以用來產生PWM。但是，STM32的PWM模式，只要確定了時基單元（即確定了PWM周期），改變輸出比較寄存器，僅可改變PWM的占空比。

若需要改變PWM周期，需不停地改變定時器的時基單元。但時基單元與硬件相關，不適合頻繁變更。因此，步進電機的調速，不適合使用STM32下定時器的PWM模式來控制。

在多方查找資料后，確定了一種利用輸出比較精確控制PWM周期的方式。

利用輸出比較產生頻率可變的PWM

利用輸出比較產生頻率可變的PWM，原理簡單介紹如下：

首先配置定時器時基單元，確定脈沖最小長度單位CK。

然后開啟定時器的輸出比較，設置模式為翻轉模式，并開啟輸出比較中斷。

將定時器內計數器CNT當前值，加上脈沖長度X（單位為CK），寫入輸出比較寄存器。

在X個CK后，將會觸發輸出比較中斷。同時電平翻轉。

在中斷中再次將當前計數器CNT的值，加上脈沖長度X，寫入輸出比較寄存器。

在X個CK后，將會觸發輸出比較中斷。同時電平翻轉。

在中斷中再次將當前計數器CNT的值，加上脈沖長度X，寫入輸出比較寄存器。

如此往復……

以此即可得到一個占空比為50%，周期為2X個CK的PWM。

確定最小單位CK，配置時基單元

首先確定一個最小的間隔CK，規定PWM的高電平長度和低電平長度的單位都是CK。

即高電平的長度一定是CK的整數倍。低電平亦然。

然后配置定時器的時基單元，通過CK的長度確定預分頻系數。

已知STM32F103的主頻為72MHZ，則時基單元中預分頻系數為

PSC = 72M / （1/CK）

例如，rtz所確定的CK長度為10us（0.00001s）。即可得出方程

PSC = 72M / （1/0.00001）=72000000/100000=720

預分頻系數確定為720后，由高速晶振產生的72MHZ的時鐘信號被720分頻，得到100000HZ的時鐘信號。即時鐘信號每秒變動100000次。每次10us。同時可將重裝載值設定為0XFFFF（16位定時器的最大值）。因為本次使用的輸出比較模式不使用更新中斷，該值可隨意設置。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0XFFFF;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =720;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit（TIM2， &TIM_TimeBaseStructure）;

開啟輸出比較通道，設置輸出比較模式為翻轉模式，并配置NVIC，開啟輸出比較中斷，配置輸出比較通道：

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;TIM_OC1Init（TIM2， &TIM_OCInitStructure）;

開啟輸出比較中斷，配置NVIC優先級：

TIM_ITConfig（TIM2， TIM_IT_CC1， ENABLE）;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）;

編寫中斷服務函數

在輸出比較中斷中，唯一要做的事情就是把當前CNT的值取出，加上脈沖長度X，寫入輸出比較寄存器。

當計數器達到0XFFFF（之前設定的重裝載值）后，再加一會自動變為0.

例如，當前CNT值為0XFFFF，脈沖長度為5，很明顯，輸出比較寄存器應設置為0X0004才可觸發下一次中斷，而不是0X10004，這樣會造成溢出。

因此將CNT的值與脈沖長度相加后，需要取0XFFFF的余數后，再寫入輸出比較寄存器。

int t_m=5;//低電平和高電平的長度void TIM2_IRQHandler（void）{ if （TIM_GetITStatus（TIM2， TIM_IT_CC1） ！= RESET） { TIM_SetCompare1（TIM2，（TIM2-》CNT+t_m）%0XFFFF）; TIM_ClearITPendingBit（TIM2， TIM_IT_CC1）; }}

動態調整中斷服務函數中的變量t_m，即可達到修改PWM頻率的效果。