9.1 电机参数

9.2 电机驱动芯片

TOSHIBA（东芝）公司的TB67S109A芯片是一种配备PWM斩波器的两相双极步进电机驱动芯片。内置时钟解码器。采用BiCD工艺制作，额定值为50V/4.0A。允许全步、半步、1/4、1/8、1/16、1/32步（细分）运行，即细分最高为32。TB67S109A芯片的内部逻辑电路见图：

① 功能引脚

CLK 功能

CLK 输入	功能
上升沿	改变每一步的电角
下降沿	电角的状态不变

ENABLE 功能

ENABLE 输入	功能
H	输出级 ='ON'（正常运行模式）
L	输出级 ='OFF'（高阻抗模式）

方向功能

CW/CCW 输入	OUT (+)
H：顺时针方向运行 (CW)**	H
L：逆时针方向运行 (CCW)**	L

细分设置功能

DMODE0	DMODE1	DMODE2	功能
L	L	L	待机模式 (OSCM 被禁用，输出级被设置为 “OFF” 状态)
L	L	H	全步分辨率
L	H	L	半步分辨率 (类型 (A))
L	H	H	四分之一步分辨率
H	L	L	半步分辨率 (类型 (B))
H	L	H	1/8 步分辨率
H	H	L	1/16 步分辨率
H	H	H	1/32 步分辨率

② 步进电机驱动器

步进电机驱动器是一款专业的两相步进电机驱动。可实现正反转控制，通过3 位拨码开关选择7档细分控制(1,2/A,2/B,4,8,16,32,)，通过3位拨码开关选择8档电流控制（0.5A，1A，1.5A，2A，2.5A，2.8A，3.0A，3.5A）。适合驱动57、42型两相、四相混合式步进电机。能达到低振动、小噪声、高速度的效果驱动电机。

类别	信号名称	说明
信号输入端	PUL+	脉冲信号输入正
信号输入端	PUL-	脉冲信号输入负
信号输入端	DIR+	电机正、反转控制正
信号输入端	DIR-	电机正、反转控制负
信号输入端	EN+	电机脱机控制正
信号输入端	EN-	电机脱机控制负

输入信号共有三路，它们是：①步进脉冲信号PUL+,PUL-；②方向电平信号DIR+，DIR-③脱机（关闭）信号EN+，EN-。输入信号接口有两种接法，用户可根据 需要采用共阳极接法或共阴极接法。

共阳极接法：分别将PUL+，DIR+，EN+连接到控制系统的电源正极上，如果此电源是+5V/3.3V则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8—15mA 的驱动电流。脉冲输入信号通过PUL-接入，方向信号通过DIR-接入，使能信号通过EN-接入。

共阴极接法：分别将PUL-，DIR-，EN-连接到控制系统的地线（GND）上。脉冲输入信号通过PUL+接入，方向信号通过DIR+接入，使能信号通过EN+接入。如果此控制系统信号线是+5V/3.3V 则可直接接入，如果此信号电压大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8—15mA 的驱动电流。

我们的例程选择共阳接法：

驱动器端子	功能	开发板引脚
ENA-	停机引脚，当 ENA - 接 GND，ENA + 接 5V 时电机停止旋转，通过控制 ENA - 高低电平控制电机是否旋转	PXX
ENA+	配合 ENA - 控制电机旋转状态	+5V
DIR-	旋转方向控制，当 DIR + 接 + 5V 时，通过控制 DIR - 引脚高低电平控制电机旋转方向	PXX
DIR+	配合 DIR - 控制电机旋转方向	+5V
PUL-	脉冲信号，每接收一个脉冲信号步进电机旋转一步	PXX
PUL+	配合 PUL - 传输脉冲信号	+5V

③ 6位拨码开关

通过调整6位拨码开关调整： 步分辨率和驱动电流

拨片向上表示闭合，拨片向下表示断开。

步分辨率：

默认旋转一圈是200个步长（每个步长1.8度），芯片可以通过调整电流做进一步的提高精度，这里有7个精度档次。

DMODE0	DMODE1	DMODE2	功能
L	L	L	待机模式 (OSCM 被禁用，输出级被设置为 “OFF” 状态)
L	L	H	全步分辨率
L	H	L	半步分辨率 (类型 (A))
L	H	H	四分之一步分辨率
H	L	L	半步分辨率 (类型 (B))
H	L	H	1/8 步分辨率
H	H	L	1/16 步分辨率
H	H	H	1/32 步分辨率

开关断开(拨片向下)则高电平，开关闭合(拨片向上)则低电平。

驱动电流：

SW4、SW5、SW6负责控制驱动电流，对负载要求越高电流要求就越高。

根据开关控制电流： 由于教学环境没有什么负载，可以设置最小电流。

下图的ON OFF指SW4 SW5 SW6 的开关状态，不是指电平。

9.3 开发实现

① 原理图

② CubeMX 设置

设置 TIM1_Channel1 输出比较模式为翻转模式：

开启 TIM1的更新中断：

设置电机启动引脚和方向控制引脚：

③ 硬件接口层代码

Int_Motor.h

#ifndef __INT_MOTOR_H__
#define __INT_MOTOR_H__

#include <math.h>

#include "gpio.h"
#include "tim.h"

#include "Com_Global.h"
#include "Com_Debug.h"

/**
 * @brief 启动电机
 * 
 */
void Int_Motor_Start(void);

/**
 * @brief 停止电机
 * 
 */
void Int_Motor_Stop(void);

/**
 * @brief 设置电机速度
 * 
 */
void Int_Motor_SetSpeed(void);

/**
 * @brief 获取已经旋转的角度
 * 
 */
void Int_Motor_GetCurrentAngle(void);


/**
 * @brief TIM1更新中断触发后被调用的函数
 * 
 */
void Int_Motor_UpdateCallback(void);


#endif /* __INT_MOTOR_H__ */

Int_Motor.c

#include "Int_Motor.h"

// 定义静态全局变量：保存电机已经旋转角度对应的ITM1更新周期数
static uint32_t gs_current_angle_update_periods = 0;
// 定义静态全局变量：保存电机目标旋转角度对应的TIM1更新周期数
static uint32_t gs_target_angle_update_periods = 0;

/**
 * @brief 启动电机
 * 
 */
void Int_Motor_Start(void)
{
    // 1. 设置电机的旋转方向，目标角度是正数，设置为顺时针；目标角度是负数，设置为逆时针
    if (g_target_angle > 0)
    {
        // 设置 MOTOR_DIR 为高电平
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_GPIO_Port, MOTOR_DIR_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
    else
    {
        // 设置 MOTOR_DIR 为低电平
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_GPIO_Port, MOTOR_DIR_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    }

    // 2. 设置电机速速
    Int_Motor_SetSpeed();

    // 3. 计算目标角度对应的TIM1更新周期数
    gs_target_angle_update_periods = fabs(g_target_angle) / 360 * 3200;

    // 4. 清零已经旋转的角度对应的ITM1更新周期数
    gs_current_angle_update_periods = 0;

    // 5. 启动电机，设置 MOTOR_EN 为高电平
    HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_EN_GPIO_Port, MOTOR_EN_Pin, GPIO_PIN_SET);    

    // 6. 启动TIM1定时器的更新中断和TIM1_Channel1输出比较
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
    HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

}

/**
 * @brief 停止电机
 * 
 */
void Int_Motor_Stop(void)
{
    // 停止电机，设置 MOTOR_EN 为低电平
    HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_EN_GPIO_Port, MOTOR_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET);

    // 停止TIM1定时器的更新中断和TIM1_Channel1输出比较
    HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim1);
    HAL_TIM_OC_Stop_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

}

/**
 * @brief 设置电机速度
 * 
 */
void Int_Motor_SetSpeed(void)
{
    /*
        定时器溢出(更新)2次，产生1个上升沿
        转1圈，需要需要200*8个上升沿；合计需要3200个更新周期

        TIM1
        PSC=71； 1us计1个数

        根据转速计算ARR值，转速用rpm表示（转速：转/分钟）
        一圈所用时间： (1 / rpm) * 60 * 1000 * 1000 us 
        定时器1次更新(溢出)所用时间： (1 / rpm) * 60 * 1000 * 1000 / 3200 us

        定时器ARR的值：(1 / rpm) * 60 * 1000 * 1000 / 3200 - 1
    */

    // 设置定时器ARR值
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, (1 / g_target_speed) * 60 * 1000 * 1000 / 3200 - 1);

}

/**
 * @brief 获取已经旋转的角度
 * 
 */
void Int_Motor_GetCurrentAngle(void)
{
    // 根据周期数计算已经旋转的角度
    g_current_angle = gs_current_angle_update_periods / 3200.0f * 360.0f;

    // 如果是逆时针转，将g_current_angle转为负数
    if (g_target_angle < 0)
    {
        g_current_angle = -g_current_angle;
    }

}

/**
 * @brief TIM1更新中断触发后被调用的函数
 * 
 */
void Int_Motor_UpdateCallback(void)
{
    // 增加已经旋转角度对应的ITM1更新周期数
    gs_current_angle_update_periods++;

    // 如果已经旋转角度对应的ITM1更新周期数大于等于目标角度对应的TIM1更新周期数
    if (gs_current_angle_update_periods >= gs_target_angle_update_periods)
    {
        // 停止电机
        Int_Motor_Stop();
    }
}

④ 应用层代码

App_KeyControl.h

添加头文件

#include "Int_Motor.h"

App_KeyControl.c

修改如下：

/* 代码省略 ... */

void App_KeyControl_Run(void)
{
    // 检测按键
    switch (Int_Key_IsDetect())
    {
    case 1:
        /* 代码省略 ... */
        // 如果是第1页，目标速度增加
        else if (g_current_page == 1)
        {
            g_target_speed += SPEED_STEP;
            if (g_target_speed > MAX_TARGET_SPEED)
            {
                g_target_speed = MAX_TARGET_SPEED;
            }
            // 设置电机目标速度
            DEBUG_PRINTLN("目标速度设置为: %f", g_target_speed);
            Int_Motor_SetSpeed();

        }
        /* 代码省略 ... */
        break;

    case 2:
        /* 代码省略 ... */
        // 如果是第1页，目标速度减少
        else if (g_current_page == 1)
        {
            g_target_speed -= SPEED_STEP;
            if (g_target_speed < MIN_TARGET_SPEED)
            {
                g_target_speed = MIN_TARGET_SPEED;
            }
            // 设置电机目标速度
            DEBUG_PRINTLN("目标速度设置为: %f", g_target_speed);
            Int_Motor_SetSpeed();
        }
        /* 代码省略 ... */
        break;

    case 3:
        // 检测到SW3，启动操作
        DEBUG_PRINTLN("SW3 pressed, 启动电机! ");
        // 启动电机
        Int_Motor_Start();
        break;

    /* 代码省略 ... */
    }
}

App_Task.h

添加头文件：

#include "Int_Motor.h"

App_Task.c

修改如下：

 /* 代码省略 ... */
// 显示任务函数的实现
void disaply_task_callback(void *pvParameters)
{
    printf("显示任务启动... \n");
    // 初始化显示模块
    App_Display_Init();

    while (1)
    {
        // 如果是第0页，获取当前已经旋转的角度
        if (g_current_page == 0)
        {
            // 获取当前已经旋转的角度
            Int_Motor_GetCurrentAngle();
        }


        // 进入临界区，防止I2C通信被打断
        taskENTER_CRITICAL();
        // 更新显示
        App_Display_Update();
        // 退出临界区
        taskEXIT_CRITICAL();

        // 延时100ms
        vTaskDelay(100);
    }
}
/* 代码省略 ... */

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