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使用 DRV8452 和 STM32F103RB 实现平稳精准的步进电机控制

适用于双极步进电机的高功率超精确控制解决方案

Stepper 25 Click with Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

已发布 4月 03, 2025

点击板

Stepper 25 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F103RB

实现超高精度双极步进电机控制,支持 1/256 微步进和强大的 5A 全量程输出

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Stepper 25 Click 基于德州仪器(Texas Instruments)的 DRV8452 电机驱动器 IC,专为精确控制双极步进电机而设计。DRV8452 集成了两个 N 沟道功率 MOSFET H 桥、电流检测电阻、高级电流调节系统和微步进索引器于一体。该高度集成的解决方案支持宽电压输入范围(4.5V 至 55V),最大输出电流可达 5A 全量程(或 3.5A RMS),在高功率应用中仍能保持稳定性能。得益于 DRV8452 的强大能力,Stepper 25 Click 非常适用于广泛应用场景,包括纺织及缝纫机、工厂自动化系统、机器人平台、诊断设备、多功能打印机,以及基于 PLC、DCS 和 PAC 的系统。对于需要高功率和高精度运动控制的复杂项目工程师和开发者来说,这是一个灵活可靠的解决方案。DRV8452 的一大亮点是其 自动扭矩(auto-torque)功能,可根据电机负载动态调整输出电流,提升系统整体效率,同时大幅减少运行过程中的功耗。板载 VREF 微调电位器 使得用户能够根据负载需求精细调整电机电流。此外,板上还配备 ENABLE 开

关,用于控制输出通道的激活:当设置为 0 时,所有输出关闭;当设置为 1 时,输出使能,准备运行。Stepper 25 Click 通过标准 4 线 SPI 接口 与主控 MCU 通信,可精确配置 DRV8452 并优化其自动扭矩算法,以适应各种电机应用需求。它还支持 堵转检测功能,可在电机卡死或达到行程终点时通知系统,保障安全运行。为降低能耗,设备提供 静止节能模式,在电机保持位置时最小化功耗。DRV8452 集成的 电流感应架构 通过电流镜像与内部 MOSFET,省去了对外部感应电阻的需求。同时,通过 STP 和 DIR 引脚,主控 MCU 可控制电机的方向与步进频率。其内建的 微步进索引器 支持从全步、半步到高达 1/256 微步进 的多种分辨率,实现极其平滑且精准的运动控制。更高的微步进级别可有效降低电机噪音,并提升运动流畅性。自动微步插值模式 可将低频输入信号转换为高分辨率步进信号,进一步提升电流调节质量,并降低运行噪音。为实现精确电流调节,DRV8452 提供多种衰减模式,包括 慢衰减、混合衰减和快衰减,

同时具备智能自适应的 Smart Tune 衰减模式,可根据供电电压、电机速度或老化变化自动优化电流控制。其中,Smart Tune Ripple Control 使用可变关断时间波纹电流方案来减少绕组电流失真;Smart Tune Dynamic Decay 则结合固定关断时间与动态快衰减百分比,进一步提升性能。此外,还有专为静止和低速运行设计的 Silent Step 衰减模式,实现极为安静的运行效果。Stepper 25 Click 还带有两个额外控制引脚:FLT 和 SLP。FLT 用于指示故障状态(如过流或热关断),SLP 控制器件的电源模式——逻辑高电平表示正常运行,逻辑低电平表示进入低功耗睡眠模式。这两个引脚配有红色 LED 指示灯(分别标记为 FAULT 和 SLEEP),为用户提供清晰的状态可视化,便于系统监测与调试。该 Click 板支持 3.3V 和 5V 逻辑电平,可通过 VCC SEL 跳线 进行切换,兼容不同类型的主控 MCU。此外,Stepper 25 Click 随附 功能库与示例代码,便于开发者快速上手并作为后续开发参考。

Stepper 25 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F103RB MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于  ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M3

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

20480

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

17HD40005-22B 步进电机是一款双相混合电机,具有高扭矩、高速度和低噪音性能。它配有一根 1 米长的电线,连接端有可选端口,并带有热缩管以防止缠绕。电机的 D 形轴长为 22mm。该电机采用斩波波恒流驱动,具有双相 4 线激励模式,可实现正反转。电源顺序按照 AB-BC-CD-DA 顺序排列,从轴端看为顺时针方向。其额定电流为 1.3A DC,额定电压为 2.4V,步进角为 1.8°,绝缘等级为 B。此步进电机非常适用于需要精确运动控制和可靠性的应用。

Stepper 25 Click accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Motor Direction Control
PC0
AN
Sleep Mode / ID SEL
PC12
RST
SPI Select / ID COMM
PB12
CS
SPI Clock
PB3
SCK
SPI Data OUT
PB4
MISO
SPI Data IN
PB5
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Motor Step Control
PC8
PWM
Fault Indicator
PC14
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
NC
NC
SCL
NC
NC
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

Stepper 25 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F103RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
LTE IoT 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE IoT 5 Click complete accessories setup image hardware assembly
Board mapper by product8 hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

Stepper 25 Click 演示应用程序使用 NECTO Studio开发,确保与 mikroSDK 的开源库和工具兼容。该演示设计为即插即用,可与所有具有 mikroBUS™ 插座的 开发板、入门板和 mikromedia 板完全兼容,用于快速实现和测试。

示例描述
此示例演示了 Stepper 25 Click 板的使用,用于控制双极步进电机的运行。应用程序初始化板卡,并执行不同的步进模式、方向和速度,以展示电机的精确控制能力。

关键功能:

  • stepper25_cfg_setup - 初始化 Click 配置结构为默认初始值。

  • stepper25_init - 初始化该 Click 板所需的所有引脚和外设。

  • stepper25_default_cfg - 执行 Stepper 25 Click 的默认配置函数。

  • stepper25_set_direction - 通过设置 DIR 引脚的逻辑状态来设定电机旋转方向。

  • stepper25_set_step_mode - 设置 Stepper 25 设备的步进模式(微步级别)。

  • stepper25_drive_motor - 以选定速度驱动电机运行指定步数。

应用初始化
初始化日志记录器和 Stepper 25 Click 板,使用默认设置配置电机驱动器,使其准备好进行步进电机控制。

应用任务
以不同的步进模式和方向驱动步进电机,采用不同的速度。在每种模式下,电机完成预设数量的步进,并在顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向之间切换,使用不同的步进分辨率。

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * @file main.c
 * @brief Stepper 25 Click example
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the operation of the Stepper 25 Click board, 
 * which is used to control a bipolar stepper motor. The application initializes 
 * the board and executes different step modes, directions, and speeds to 
 * showcase precise motor control.
 *
 * The demo application is composed of two sections:
 *
 * ## Application Init
 * Initializes the logger and Stepper 25 Click board. Configures the motor driver 
 * with default settings, preparing it for stepper motor control.
 *
 * ## Application Task
 * Moves the stepper motor in different step modes and directions at varying speeds. 
 * The motor completes a predefined number of steps in each mode, switching between 
 * clockwise (CW) and counterclockwise (CCW) directions with different step resolutions.
 *
 * @note
 * Ensure proper power supply and motor connections before running the example.
 *
 * @author Stefan Filipovic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "stepper25.h"

static stepper25_t stepper25;
static log_t logger;

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    stepper25_cfg_t stepper25_cfg;  /**< Click config object. */

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, " Application Init " );

    // Click initialization.
    stepper25_cfg_setup( &stepper25_cfg );
    STEPPER25_MAP_MIKROBUS( stepper25_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( SPI_MASTER_ERROR == stepper25_init( &stepper25, &stepper25_cfg ) )
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( STEPPER25_ERROR == stepper25_default_cfg ( &stepper25 ) )
    {
        log_error( &logger, " Default configuration." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void )
{
    log_printf ( &logger, " Step mode: 1/16\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Direction: CW\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Steps: 1600\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Speed: Medium\r\n\n" );
    stepper25_set_direction ( &stepper25, STEPPER25_DIR_CW );
    stepper25_set_step_mode ( &stepper25, STEPPER25_STEP_MODE_1_OVER_16 );
    stepper25_drive_motor ( &stepper25, 1600, STEPPER25_SPEED_MEDIUM );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Step mode: 1/8\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Direction: CCW\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Steps: 1600\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Speed: Fast\r\n\n" );
    stepper25_set_direction ( &stepper25, STEPPER25_DIR_CCW );
    stepper25_set_step_mode ( &stepper25, STEPPER25_STEP_MODE_1_OVER_8 );
    stepper25_drive_motor ( &stepper25, 1600, STEPPER25_SPEED_FAST );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Step mode: 1/4\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Direction: CW\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Steps: 400\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Speed: Slow\r\n\n" );
    stepper25_set_direction ( &stepper25, STEPPER25_DIR_CW );
    stepper25_set_step_mode ( &stepper25, STEPPER25_STEP_MODE_QUARTER );
    stepper25_drive_motor ( &stepper25, 400, STEPPER25_SPEED_SLOW );
    Delay_ms ( 1000 );
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}

// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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