初学者
10 分钟

使用TMC2208和STM32G431RB实现步进电机的静音运行

超静音两相步进电机驱动器

Stepper 5 Click with Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

已发布 11月 08, 2024

点击板

Stepper 5 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32G431RB

stealthChop2™ 技术为您的项目提供无噪音电机操作和增强的动态控制。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Stepper 5 Click 基于 Analog Devices 的 TMC2208,这是一款高度集成的双极步进电机功率驱动器,具有 UART 接口。如前所述,该设备具有许多不同的功能,使驱动器几乎可以自主使用。它配备 OTP 存储器,可以存储特定步进电机的工作参数,避免在每次上电复位 (POR) 循环后由 MCU 初始化。诸如 stealthChop2™、spreadCycle™ 和 microPlayer™ 等技术有助于实现电机驱动的高自主性,仅使用 STEP 和 DIR 输入引脚设置方向和步进传播。使用 microPlayer™ 技术甚至可以将其自动化,几乎完全减少对 MCU 性能的影响。为了最好地描述如何操作此设备,最好将其操作分为三种抽象模式。独立 STEP/DIR 模式,也称为传统模式,操作方式类似于其他引脚驱动的步进电机控制器/驱动器——步进传播由 STEP 输入上的脉冲控制,DIR 引脚决定方向。MS1 和 MS2 引脚用于设置微步模式,从 1:2 步到 1:16 步。VREF 引脚用于设置最大电流限制,在 Stepper 5 Click 上,由 R2 电阻设置为 1.24A RMS(1.76A 峰值)。DIAG 引脚提供

诊断信息,而 INDEX 引脚提供运动反馈。ENN 引脚用于打开或关闭 IC。此模式允许将驱动器用作更简单的驱动 IC 的直接替代。因此,此模式称为传统模式。第二种模式是具有预编程 OTP 配置的独立 STEP/DIR 模式,从软件的角度来看,驱动 IC 显示为标准 MCU 外设设备。可以使用一组配置和状态寄存器来设置工作参数,这对于应用中使用具有已知特性的特定步进电机特别方便。OTP(一次性可编程)存储器存储配置。它也可以存储在 MCU 中。通信通过 UART 接口完成,只需要一根线进行读写操作(使用特定的消息格式来实现这一点)。UART 可以在广泛的波特率范围内工作,最高可达 500K。UART 接口具有自动波特率检测和 CRC 生成功能,即使在远距离通信时也能实现可靠和简单的通信。一旦通过 OTP 或 UART 编程,STEP/DIR 引脚仍然可以驱动设备,但电机性能将得到增强,并针对特定应用进行了微调。第三种模式是 STEP/DIR,具有完整的诊断和控制功能。此模式释放 TMC2208 的全部潜力。所有参数都可以通过 UART 配

置和控制,功率和热数据可以返回给 MCU 进行进一步分析和优化。被动制动和自由旋转模式变得可用,为停止模式(当步进电机静止时)提供最低的功耗。microPlayer™ 插值功能的控制变得可用,允许对微步进进行更多控制,从而实现更安静的操作。spreadCycle™ 和 stealthChop2™ 技术通过寄存器提供更多控制。利用内部可编程步进脉冲发生器,可以完全绕过外部引脚(通过配置位)。当需要绝对顶级性能时,此模式非常有用,毫无妥协。VCC SEL 板载 SMD 跳线设置通信接口的逻辑电压电平。这允许 3.3V 和 5V MCU 都能与此 Click board™ 进行接口连接。连接的双极步进电机的电源可以通过标记为 VS SEL 的板载 SMD 跳线在 mikroBUS™ 的 5V 电轨和外部电源之间进行选择。外部电源可以连接到端子的 VIN 和 GND 输入。连接的电压应保持在 5V 到 36V 之间。其余端子允许连接双极步进电机线圈:OA1 和 OA2 端子输入连接第一个线圈,而 OB1 和 OB2 输入连接第二个电机线圈。

Stepper 5 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32G431RB 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 STM32G431RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

STM32G431RB front image

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

32k

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

28BYJ-48 是一款适应性强的 5VDC 步进电机,设计紧凑,适用于各种应用。它具有四个相位,速度变化比为 1/64,步距角为 5.625°/64 步,允许精确控制。该电机以 100Hz 频率运行,在 25°C 下具有 50Ω ±7% 的直流电阻。其空载牵引频率大于 600Hz,空载牵引脱开频率超过 1000Hz,确保在不同场景下的可靠性。电机的自定位扭矩和牵引扭矩在 120Hz 时均超过 34.3mN.m,提供强大的性能。其摩擦扭矩范围为 600 到 1200 gf.cm,而拉入扭矩为 300 gf.cm。该电机是您步进电机需求的可靠且高效的选择。

Stepper 5 Click accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Error Diagnostics
PA15
AN
Direction Control
PC12
RST
Chip Enable
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Step Trigger
PC8
PWM
Pulse Index
PC14
INT
UART TX
PA3
TX
UART RX
PA2
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 5 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 STM32G431RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32G474RE MCU front image hardware assembly
LTE Cat.1 6 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE Cat.1 6 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 Compiler Selection Step Image 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

该库包含用于 Stepper 5 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • stepper5_set_direction - 通过设置 DIR 引脚逻辑状态来设置电机方向

  • stepper5_set_step_res - 在 CHOPCONF 寄存器中设置微步分辨率位

  • stepper5_drive_motor - 以选定的速度驱动电机进行特定步数

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 5 Click Example.
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the use of the Stepper 5 Click board by driving the 
 * motor in both directions for a desired number of steps.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 *
 * ## Application Init
 * Initializes the driver and performs the Click default configuration.
 *
 * ## Application Task
 * Drives the motor clockwise for 200 full steps and then counter-clockiwse for 200 half
 * steps and 400 quarter steps with 2 seconds delay on driving mode change. All data is
 * being logged on the USB UART where you can track the program flow.
 *
 * @author Stefan Filipovic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "stepper5.h"

static stepper5_t stepper5;
static log_t logger;

void application_init ( void ) 
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    stepper5_cfg_t stepper5_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.
    stepper5_cfg_setup( &stepper5_cfg );
    STEPPER5_MAP_MIKROBUS( stepper5_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( UART_ERROR == stepper5_init( &stepper5, &stepper5_cfg ) ) 
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( STEPPER5_ERROR == stepper5_default_cfg ( &stepper5 ) )
    {
        log_error( &logger, " Default configuration." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void ) 
{
    log_printf ( &logger, " Move 200 full steps clockwise, speed: slow\r\n\n" );
    stepper5_set_direction ( &stepper5, STEPPER5_DIR_CW );
    stepper5_set_step_res ( &stepper5, STEPPER5_MRES_FULLSTEP );
    stepper5_drive_motor ( &stepper5, 200, STEPPER5_SPEED_SLOW );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Move 200 half steps counter-clockwise, speed: medium\r\n\n" );
    stepper5_set_direction ( &stepper5, STEPPER5_DIR_CCW );
    stepper5_set_step_res ( &stepper5, STEPPER5_MRES_2 );
    stepper5_drive_motor ( &stepper5, 200, STEPPER5_SPEED_MEDIUM );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Move 400 quarter steps counter-clockwise, speed: fast\r\n\n" );
    stepper5_set_direction ( &stepper5, STEPPER5_DIR_CCW );
    stepper5_set_step_res ( &stepper5, STEPPER5_MRES_4 );
    stepper5_drive_motor ( &stepper5, 400, STEPPER5_SPEED_FAST );
    Delay_ms ( 1000 );
    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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