芯耀
与非AI
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本文对应的视频：第一集《项目总览》。 代码工程：
通过网盘分享的文件：CW32L010步进电机正弦微步驱动器.zip
链接: https://pan.baidu.com/s/1pR0wOT3D30N38uOFXtpbDg?pwd=L010 提取码: L010
一、项目起点
本系列要做的是一台步进电机驱动器。主控选用 CW32L010单片机。该驱动器计划开发四项基本功能-调速、换向、过流保护、上位机控制。
启动这个项目是因为，前段时间入手了一款豹式坦克 G 模型，打算做模型静改动，悬挂改造需要打孔穿钢丝。但苦于手持电钻没有定位装置，孔位容易打歪，故决定自制一台小型钻台（绝不是因为成品钻台贵然后为醋包饺子），钻头的动力源即本项目的开发内容。动力源选了 42 步进电机，理由有三条：塑料不耐高温，转速必须精确可控；步进电机低速扭矩足，而钻孔全程都在低转速区间；手边刚好有 CW32 电机驱动板和电机。
需求链条到此闭合：模型改造要打孔 -> 手工打孔孔位难保证 -> 用步进电机驱动钻头 -> 需要一块能控速、能换向、能保护的驱动板 -> 电机与主控芯片都在手边，缺的是固件。
二、设计指标
定性分析需求，定量开发工程。上面这些要求需要转成可检验的指标，共六项。
1.转速 0~200 RPM。 转速上限根据使用场景设置，钻头转速本来就不必太快-转速太高，钻头在孔里停留的时间太短，切屑排不出来，反而容易损伤塑料。下限留到接近零，是为了照顾硬质材料。
2.支持正转与反转。 钻孔动作包括正转切削和反转排屑与退出钻头，因此刚需正反转功能。
3.电机工作低噪音、无失步。 失步是步进电机最要命的故障，失步意味着转速不准、切削力不足，严重时卡钻甚至折断钻头。对塑料打孔来说基本不会出现失步，但避免失步不仅是功能需求，更是步进电机驱动的基本要求-后面的篇章会分析失步的原因。噪音控制同样重要，本项目打算从驱动方式上避开低速运行时的换相冲击噪音。
4.过流保护。 工作电流过大时自动切断电机供电。
5.上位机控制。 通过上位机设置转速、方向与输出扭矩，属基本需求。
6.自动标定。 每台电机的参数都略有差异，同驱动参数未必都合适。因此加入参数自动标定功能，可针对不同驱动器+电机的组合将标定结果存下来，下次上电直接可用。
这六项指标各自决定了一种实现手段：
0~200 RPM：微步细分 + V/f 映射
正转与反转：两组 H 桥换相
低噪音、无失步：正弦微步 + 闭环标定
过流保护：ADC 采样 + 能量积分
上位机控制：UART + 任务层协议解析
自动标定：逐档试幅、结果存档
三、硬件构成
3.1 功率组件
我使用的是四线两相电机，因此需要两组 H 桥。两相是小型步进电机里最常见的形式，结构简单、价格便宜；低速性能稳定，正对低速旋转的应用场景。
每个 H 桥由四个 MOS 管组成，上下各两个，本项目共八个。这八个 MOS 管栅极最终都由 MCU 控制，但驱动方式并不相同：
上管：MCU 驱动信号经AO3400A驱动MOS后再驱动功率MOS
下管：MCU IO直接驱动功率MOS
从原理图可以看出，本项目使用的驱动板没有使用栅极驱动芯片，省掉了两颗器件，代价是 IO 口能给出的电流有限。栅极线的充放电速度直接决定 MOS 开关的快慢，开关沿变慢这一代价，会在讨论死区的那一集里正面遇到。
3.2 采样电路
电流采样用一颗 50 mΩ 的采样电阻，配运放放大。阻值选择需权衡利弊：
取大：收益：信号强、抗干扰好；代价：白白发热，压缩电机的电压裕量
取小：收益：损耗小；代价：信号太弱，运放与 ADC 难以分辨
50 mΩ 是两侧折中的结果。这颗电阻虽然阻值很小，但过流时仍会明显发热，选型要留足功率余量。
采样电阻两端的压差只有毫伏级，直接送进 ADC 会被噪声淹没，因此需要运放将信号放大至与 ADC 量程匹配的电平；放大后的信号送到 ADC 的通道 9。
一处需要留意的局限：采样电阻只有一个，测到的是两相电流的合成值，而不是某一相的独立电流。软件因此只能拿到总电流，做不了逐相的独立控制。单点采样是本项目的最大约束，讨论闭环控制时还会再次提到。
3.3 供电系统
整个系统由 12 V 供电，既供电机，也经降压后给 MCU 与运放。功率级、采样级、供电三块，构成驱动板的全部硬件（图 2）。
图 2 系统硬件拓扑
四、主控芯片
CW32L010 是武汉芯源半导体推出的一颗低功耗 32 位微控制器。核心规格与本项目的对应关系如下：
内核：规格：ARM Cortex-M0+，最高 48 MHz；对本项目的意义：主频决定中断响应与算法余量
存储：规格：64 KB Flash + 4 KB SRAM；对本项目的意义：SRAM 带硬件奇偶校验，数据被干扰时能及时发现
高级定时器：规格：1 个 16 位 ATIM，6 路捕获比较；对本项目的意义：输出 6 对带死区与刹车的互补 PWM
其他定时器：规格：1 x GTIM、3 x BTIM、1 x LPTIM、独立看门狗；对本项目的意义：分别承担采样节拍、换相节拍与系统计时
ADC：规格：12 位，最高 2 M SPS，最多 14 路外部通道；对本项目的意义：电流采样
通信：规格：2 x UART、1 x SPI（24 Mbit/s）、1 x I2C（1 Mbit/s）；对本项目的意义：其中一路 UART 作上位机接口
GPIO：规格：QFN20／TSSOP20 封装 16 路，单路 正负8 mA；对本项目的意义：单路 正负8 mA 就是 MOS 栅极驱动的电流上限
供电与温度：规格：1.625.5 V，-40+85 ℃；对本项目的意义：宽压供电省去额外的稳压设计 以上规格均来自官方数据手册
ATIM 的刹车功能支持两路输入，一旦触发立即关断 PWM，这是电机保护的最后一道硬件闸门。
芯片另内置 1.2 V 基准电压源、温度传感器与两路电压比较器，以及两个易被忽略的单元-支持 8 种算法的硬件 CRC 与每颗芯片的 80 位唯一 ID，分别可用于通信校验和设备识别，都不必额外增加器件。
更重要的是，这块芯片的价格极其低廉，单片购入的价格仅2元，大批量购入可将单价压缩至1元，颇具价格优势。
但凡事都有取舍，这颗芯片没有 DMA，数据传输只能靠软件搬运。缺少 DMA 这一点，在后来的通信实现中成了架构选择的直接原因。
五、外设分工
芯片决定项目开发的上限，具体如何使用片上资源由开发者自己决定，本项目用到的片上外设主要由定时器、UART接口、ADC构成。
图 3 五类外设的分工与选择
ATIM 输出四路带死区的互补 PWM。 死区与刹车必须由硬件保证，软件层面只需要调节占空比和开关信号输出；驱动信号的频率为18kHz。
BTIM 充当换相节拍器。使用基本定时器作为换相节拍器，总体思路是在定时器中推进换相索引，通过调整节拍器的频率调整电机转速。
GTIM 触发 ADC 转换。GTIM以 25 kHz 的固定频率（ 40 μs 一次）触发ADC开始一次转换。采样严格按周期执行，并与其他任务在时序上解耦。
ADC 采样电流。用于实现以能量积分为思路的过载保护。预设的25 kHz 采样与 18 kHz 驱动载波没有整数倍关系，采样点相对载波缓慢漂移，不会稳定落在开关沿上；采样值经 32 点滑动窗口平均滤波，偶发尖峰被一并抹平。
UART 通信。数据接收通过中断完成，数据解析由调度器任务池内的解析任务完成。
死区取到 2 μs 这样偏大的值，原因是 3.1 节提到的下管直连 IO，IO 驱动能力有限，MOS 开关沿变慢，死区必须相应放宽。具体放宽多少，会在死区章节详细分析。
六、代码分层
最后一个问题是代码怎么组织。
先设想不分层的情况：全部代码挤在一个主循环里，主循环一边解析UART命令、一边等待、一边推进电机换相。UART数据解析与等待都会占用时间，而这段时间里电机换相不会推进。系统会变得不稳，轻则电机抖动，重则直接失步。所以需要将代码分层，按响应时间要求，将任务分到不同的层里。
中断层：实时性要求高，通常在微秒级；需承担硬实时任务，如步进换相、过流保护
任务层：实时性要求一般，通常在毫秒级；需承担软实时任务，如协议解析、命令执行
主循环：实时性要求相对最低，属于代码层的最外层；承担协调系统运行等辅助性任务，如任务调度器本身
硬实时的含义：一旦错过时限，事情就做错了。 步进中断一旦被拖慢，丢步不可避免，因此必须享受最高优先级、随到随执行，中断服务函数里也不做耗时操作。
软实时的含义：可以晚一点执行，但一定会被执行到。 协议解析、命令执行属于这一类，放到任务层就不会去抢中断的时间。
七、要点总结
本文作为项目开发的前期讲述，目的是告诉读者项目的整体框架，总结为以下几点。
指标必须能追溯到需求。 “0~200 RPM”并非沿用行业惯例，而是由塑料打孔的排屑特性与钻头的切削条件反推得到。能追溯的指标才是可验收的指标。
任何小巧思般的节省都会以别的方式收账。 去掉栅极驱动芯片省了两颗器件，代价是开关沿变慢，于是死区必须放宽到 2 μs。这笔账在讲死区时会被完整地对上。
分层的依据是实时性，不是代码量。 实时性需求不同的任务必须分开，否则系统容易进入不稳定状态。
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