高级
30 分钟

使用 powerSTEP01 和 STM32L073RZ 实现平稳且精准的步进电机控制

具备 1/128 细分步进和强大 10A RMS 输出的解决方案

Power Step 2 Click with Nucleo-64 with STM32L073RZ MCU

已发布 3月 31, 2025

点击板

Power Step 2 Click

开发板

Nucleo-64 with STM32L073RZ MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32L073RZ

实现超精确运动控制,支持 1/128 微步进和强大的 10A RMS 输出

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Power Step 2 Click 基于 powerSTEP01,这是一款由 STMicroelectronics 设计的高性能 1/128 微步进控制器。该系统级封装解决方案集成了八个 N 通道 MOSFET,其超低 RDS(on) 仅为 16mΩ,使其能够精确控制工作电压高达 85V 的步进电机,并提供高达 10A RMS 的最大输出电流。该板采用全数字运动控制设计,通过 SPI 可编程接口生成速度曲线并实现精确定位。凭借其强大的高压处理能力、精准的微步进控制以及全面的安全功能,Power Step 2 Click 是工业自动化、医疗分析设备、机器人、天线定位、CCTV 和安防系统以及云台摄像机等需要精确电机控制的应用的理想解决方案。powerSTEP01 的核心优势在于同时支持电压模式驱动和高级电流控制,使其适用于各种电机控制应用。其集成的双全桥配置和无损耗过流保护确保了在苛刻环境下的可靠性。数字控制引擎允许用户自定义运动曲线,包括加速度、减速度、速度和目标位置,所有这些都可以通过高速 5MHz SPI 接口的专用寄存器组进行编程。powerSTEP01 的架

构强调安全性和稳健性。它包括全面的保护功能,例如热关断、低总线电压检测、过流保护和电机失速检测,确保在各种条件下都能安全、稳定地运行。除了 SPI 接口引脚外,Power Step 2 Click 还使用多个额外的控制引脚来增强功能。RST 引脚兼作待机和复位控制,将其拉至低电平可使设备进入待机模式并复位逻辑。STK 引脚充当步进时钟输入,使其能够在步进时钟模式下精确控制电机运动。每次在该引脚施加步进时钟信号的上升沿,电机都会按照设定的方向前进一个微步,并同时更新绝对位置。此外,该板还带有一个 SWITCH 开关,在电机初始化过程中发挥关键作用。由于步进电机在上电时的初始位置通常是未定义的,因此需要执行初始化序列以将其移动到已知位置。GoUntil 和 ReleaseSW 指令与此开关结合使用,为设定电机参考位置提供了一种简单的方法。该 Click 板还包含两个重要的状态引脚,用于监测设备运行情况。FLG 引脚用作状态标志输出,每当触发预设报警条件时都会激活。报警条件可能包括步进丢失、

过流检测(OCD)、热预警或关断、欠压锁定(UVLO)、无效指令或不可执行指令。BSY 引脚主要用于指示设备是否正在执行指令,但如果需要,它也可以配置为生成同步信号。这两个信号均配有专用的 LED 指示灯——红色 LED 用于 FLG,黄色 LED 用于 BSY,可提供清晰的视觉反馈,以便快速状态监控和故障排除。Power Step 2 Click 还包括两个未焊接的引脚,OSCIN 和 OSCO,可用于连接外部振荡器或时钟源。如果未使用外部时钟,内部振荡器可通过 OSCO 引脚提供可配置的时钟信号,频率可设为 2MHz、4MHz、8MHz 或 16MHz。该特性使用户能够将电机驱动与其他系统组件同步,或根据特定应用需求优化性能。该 Click 板可通过 VCC SEL 跳线选择 3.3V 或 5V 逻辑电压,从而兼容 3.3V 和 5V MCU。此外,该 Click 板配备了易于使用的函数库和示例代码,可作为进一步开发的参考。

Power Step 2 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64搭载STM32L073RZ MCU提供了一个经济实惠且灵活的平台,供开发人员探索新的想法并原型化其设计。该板利用了STM32微控制器的多功能性,使用户能够为其项目选择性能和功耗之间的最佳平衡。它采用LQFP64封装的STM32微控制器,并包括一些必要的组件,例如用户LED,可以同时作为ARDUINO®信号使用,以及用户和复位按钮,以及用于精准定时操作的32.768kHz晶体振荡器。设计时考虑了扩展性和灵活性,Nucleo-64板具有ARDUINO® 

Uno V3扩展连接器和ST morpho扩展引脚标头,为全面项目集成提供了对STM32 I/O的完全访问权限。电源选项具有适应性,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。该板还配备了一个内置的ST-LINK调试器/编程器,具有USB重新枚举功能,简化了编程和调试过程。此外,该板还设计了外部SMPS,以实现有效的Vcore逻辑供电,支持USB设备全速或USB SNK/UFP全速,以及内置的加密功能,增强了项目的功耗效率和安全性。通过专用

连接器提供了额外的连接性,用于外部SMPS实验、ST-LINK的USB连接器和MIPI®调试连接器,扩展了硬件接口和实验的可能性。开发人员将通过STM32Cube MCU软件包中全面的免费软件库和示例得到广泛的支持。这与与各种集成开发环境(IDE)的兼容性相结合,包括IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM和STM32CubeIDE,确保了平稳高效的开发体验,使用户能够充分发挥Nucleo-64板在其项目中的功能。

Nucleo 64 with STM32L073RZ MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M0

MCU 内存 (KB)

192

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。

Power Step 2 Click accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Busy Status / Synchronization
PC0
AN
Reset / 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
Step-Clock Signal
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

Power Step 2 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 STM32L073RZ 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

软件支持

库描述

Power Step 2 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 Power Step 2 Click 板用于精确控制步进电机的应用。该示例展示了不同的步进模式、旋转方向和速度,同时演示了该板在不同运行模式下控制电机的能力。

关键功能:

  • powerstep2_cfg_setup - 配置对象初始化函数。

  • powerstep2_init - 初始化函数。

  • powerstep2_default_cfg - Click 默认配置函数。

  • powerstep2_set_step_mode - 该函数设置 Power Step 2 设备的步进模式(微步级别)。

  • powerstep2_set_speed - 该函数设置电机运动的最小和最大速度。

  • powerstep2_move - 该函数使电机按指定步数和方向移动。

应用初始化
初始化日志记录器并配置 Power Step 2 Click 板。应用默认设置,以使设备准备好进行电机控制操作。

应用任务
演示不同配置下的电机控制。该示例在多种步进模式(1/8、1/16、1/32、1/4)、旋转方向(顺时针 CW,逆时针 CCW)、速度和控制模式(电压、电流)之间交替切换。每种配置依次应用,电机在指定步数后切换到下一个配置。

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 Power Step 2 Click example
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the use of the Power Step 2 Click board for precise control of stepper motors. 
 * The application showcases various step modes, directions, and speeds while demonstrating the board's 
 * ability to control motors using different operation modes.
 *
 * The demo application is composed of two sections:
 *
 * ## Application Init
 * Initializes the logger and configures the Power Step 2 Click board. The default settings are applied 
 * to prepare the device for motor control operations.
 *
 * ## Application Task
 * Demonstrates motor control with various configurations. The example alternates between multiple step 
 * modes (1/8, 1/16, 1/32, 1/4), directions (CW, CCW), speeds, and control modes (voltage, current). 
 * Each configuration is applied sequentially, with the motor driven through specified steps before switching 
 * to the next configuration.
 *
 * @author Stefan Filipovic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "powerstep2.h"

static powerstep2_t powerstep2;
static log_t logger;

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    powerstep2_cfg_t powerstep2_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.
    powerstep2_cfg_setup( &powerstep2_cfg );
    POWERSTEP2_MAP_MIKROBUS( powerstep2_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( SPI_MASTER_ERROR == powerstep2_init( &powerstep2, &powerstep2_cfg ) )
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( POWERSTEP2_ERROR == powerstep2_default_cfg ( &powerstep2 ) )
    {
        log_error( &logger, " Default configuration." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void )
{
    log_printf ( &logger, " Step mode: 1/8\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Direction: CW\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Steps: 16000\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Speed: [0, 500]\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Acc-Dec: [200, 100]\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Control mode: Command voltage\r\n\n" );
    powerstep2_clear_status ( &powerstep2 );
    powerstep2_set_control_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_CONTROL_MODE_VOLTAGE );
    powerstep2_set_step_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_STEP_MODE_1_OVER_8 );
    powerstep2_set_speed ( &powerstep2, 0, 500 );
    powerstep2_set_acc_dec ( &powerstep2, 200, 100 );
    powerstep2_move ( &powerstep2, POWERSTEP2_DIR_CW, 16000 );
    powerstep2_soft_hiz ( &powerstep2 );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Step mode: 1/16\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Direction: CCW\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Steps: 32000\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Speed: [350, 600]\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Acc-Dec: [100, 200]\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Control mode: Command current\r\n\n" );
    powerstep2_clear_status ( &powerstep2 );
    powerstep2_set_control_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_CONTROL_MODE_CURRENT );
    powerstep2_set_step_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_STEP_MODE_1_OVER_16 );
    powerstep2_set_speed ( &powerstep2, 350, 600 );
    powerstep2_set_acc_dec ( &powerstep2, 100, 200 );
    powerstep2_move ( &powerstep2, POWERSTEP2_DIR_CCW, 32000 );
    powerstep2_soft_hiz ( &powerstep2 );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Step mode: 1/32\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Direction: CW\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Steps: 16000\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Speed: Very fast\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Control mode: Step-clock voltage\r\n\n" );
    powerstep2_clear_status ( &powerstep2 );
    powerstep2_set_control_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_CONTROL_MODE_VOLTAGE );
    powerstep2_set_step_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_STEP_MODE_1_OVER_32 );
    powerstep2_step_clock ( &powerstep2, POWERSTEP2_DIR_CW );
    powerstep2_drive_motor ( &powerstep2, 16000, POWERSTEP2_SPEED_VERY_FAST );
    powerstep2_soft_hiz ( &powerstep2 );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Step mode: 1/4\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Direction: CCW\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Steps: 2000\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Speed: Medium\r\n" );
    log_printf ( &logger, " Control mode: Step-clock current\r\n\n" );
    powerstep2_clear_status ( &powerstep2 );
    powerstep2_set_control_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_CONTROL_MODE_CURRENT );
    powerstep2_set_step_mode ( &powerstep2, POWERSTEP2_STEP_MODE_QUARTER_STEP );
    powerstep2_step_clock ( &powerstep2, POWERSTEP2_DIR_CCW );
    powerstep2_drive_motor ( &powerstep2, 2000, POWERSTEP2_SPEED_MEDIUM );
    powerstep2_soft_hiz ( &powerstep2 );
    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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