初学者
10 分钟

使用TMC2660和STM32G431RB实现双极步进电机的平滑、静音运动

通用步进驱动器,适用于双相双极电机,每个线圈可提供高达4A的电流

Silent Step 3 Click with Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

已发布 11月 08, 2024

点击板

Silent Step 3 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32G431RB

在步进电机控制技术上迈出巨大的一步,结合了高功率和先进功能,实现平稳静音运行。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Silent Step 3 Click基于Analog Devices的TMC2660,这是一款高度集成的双极步进电机功率驱动器。正如提到的,该设备具有许多不同的功能,使得驱动器几乎可以自主使用。存在两种控制接口:SPI串行接口和STEP/DIR接口。SPI接口将控制信息写入芯片并返回状态信息。必须使用此接口初始化参数和模式,以启用驱动电机。通过使用STEP和DIR信号或仅通过SPI接口,可以控制电机的运动。诸如stallGuard2™、spreadCycle™、coolStep™、spreadCycle™和microPlayer™等技术,帮助实现驱动电机的高度自主和平滑运动,甚至只需使用STEP和DIR输入引脚设置方向和步进传播。内部微步进表将正弦函数从0°到90°进行映射。对称性允许将正弦和余弦函数从0°映射到360°。TMC2660支持两种电机驱动器控制模式:STEP/DIR和SPI模式。STEP/DIR模式也称为传统模式。设备的操作类似于其他基于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,而DIR引脚确定方向。在SPI模式下,用户可以通过设置DRVCTRL寄存器中的参数直接访问电机的电流符号和大小。在两种模式下都可以通过SPI接口配置和控制所有工作参数。此外,功率和热数据可以返回到MCU以进行进一步分析和优化。在STEP/DIR模式下,microPlyer步进脉冲插值器将高分辨率微步进的平滑电机操作带入最初设计用于较粗步进的应用程序,并减小脉冲带宽。MicroPlyer为每个Silent Step 3 Click的STP引脚上的活动边缘产生16个微步进,分辨率为256x。通过两个独立工作的斩波器控制电机线圈的电流。有两种斩波器模式可用:一种称为spreadCycle的新型高性能斩波器算法,另一种是经过验证的常数关断时间斩波器模式。常数关断时间模式循环经过三个相位:通、快速衰减和慢速衰减。spreadCycle模式循环经过四个相位:通、慢速衰减、快速衰减和第二个慢速衰

减。为了实现所有先前提到的功能,必须测量通过电机线圈的电流。由于TMC2660的高功率输出,需要外部分流电阻。因此,Silent Step 3 Click配备了精心选择的低感抗类型0.1欧姆的分流电阻。这可以最小化由于MOSFET桥的开关峰值引起的测量缺陷,并最大化TMC2660的效率。TMC2660的STEP、DIR和ENN引脚直接路由到mikroBUS™引脚PWM、INT和AN,并分别标记为STP、DIR和EN。数字I/O引脚的逻辑电平可以通过将所需电压设置为VCC_IO引脚来轻松调整。因此,Silent Step 3 click上的接口逻辑电平可以通过将VSEL跳线移至相应电压来轻松配置为3.3V或5V逻辑,从而允许与此Click板™连接3.3V和5V MCU。用于双极步进电机的电源可以连接到端子的VM和GND输入。连接的电压应保持在9V至29V的范围内。其余端子允许连接双极步进电机线圈:A1和A2端子输入连接第一线圈,而B1和B2输入连接第二电机线圈。

Silent Step 3 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是一款适用于各种应用的适应性5VDC步进电机,具有紧凑的设计。它具有四个相位,速度变化比为1/64,步幅角为5.625°/64步,可实现精确控制。该电机以100Hz的频率运行,在25°C时的直流电阻为50Ω ±7%。它拥有大于600Hz的空载牵引频率和超过1000Hz的空载牵引频率,确保在不同场景下的可靠性。28BYJ-48在120Hz时具有自定位力矩和牵引力矩均大于34.3mN.m,表现出强大的性能。其摩擦力矩范围为600至1200 gf.cm,而拉力矩为300 gf.cm。这款电机是您步进电机需求的可靠高效选择。

Silent Step 3 Click accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Internal Power MOSFET Control
PA15
AN
Motor Stall Detection
PC12
RST
SPI Chip Select
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 Trigger
PC8
PWM
Direction Control
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

Silent Step 3 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

软件支持

库描述

这个库包含了Silent Step 3 Click驱动器的API。

关键函数:

  • silentstep3_set_step_mode - 此函数设置DRVCTRL寄存器中的微步分辨率位。

  • silentstep3_set_direction - 此函数通过设置DIR引脚的逻辑状态来设置电机方向。

  • silentstep3_drive_motor - 此函数以选定的速度驱动电机特定数量的步进。

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 Silent Step 3 Click example
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the use of the Silent Step 3 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 "silentstep3.h"

static silentstep3_t silentstep3;
static log_t logger;

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    silentstep3_cfg_t silentstep3_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.
    silentstep3_cfg_setup( &silentstep3_cfg );
    SILENTSTEP3_MAP_MIKROBUS( silentstep3_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( SPI_MASTER_ERROR == silentstep3_init( &silentstep3, &silentstep3_cfg ) )
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( SILENTSTEP3_ERROR == silentstep3_default_cfg ( &silentstep3 ) )
    {
        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" );
    silentstep3_set_direction ( &silentstep3, SILENTSTEP3_DIR_CW );
    silentstep3_set_step_mode ( &silentstep3, SILENTSTEP3_MODE_FULL_STEP );
    silentstep3_drive_motor ( &silentstep3, 200, SILENTSTEP3_SPEED_SLOW );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Move 200 half steps counter-clockwise, speed: medium\r\n\n" );
    silentstep3_set_direction ( &silentstep3, SILENTSTEP3_DIR_CCW );
    silentstep3_set_step_mode ( &silentstep3, SILENTSTEP3_MODE_HALF_STEP );
    silentstep3_drive_motor ( &silentstep3, 200, SILENTSTEP3_SPEED_MEDIUM );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );

    log_printf ( &logger, " Move 400 quarter steps counter-clockwise, speed: fast\r\n\n" );
    silentstep3_set_direction ( &silentstep3, SILENTSTEP3_DIR_CCW );
    silentstep3_set_step_mode ( &silentstep3, SILENTSTEP3_MODE_QUARTER_STEP );
    silentstep3_drive_motor ( &silentstep3, 400, SILENTSTEP3_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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