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目录

一、 核心设计原理

1. 分离式驱动器的核心逻辑

2. 关键技术原理

二、 硬件设计方案

1. 核心元器件选型（适配 57 步进电机）

2. 硬件电路设计（两相 H 桥）

（1） 单路 H 桥电路（A 相 / B 相通用）

（2） 电路设计关键规则

（3） HC32L130 引脚分配（参考）

3. 硬件注意事项

三、 软件实现方案

1. 核心代码框架

2. 核心功能解析

（1） 软件恒流斩波

（2） 16 细分驱动

（3） H 桥互锁保护

3. 软件优化建议

四、 调试与故障排查

五、 总结

关键点回顾

方案对比（分离式 vs DRV882u

用 HC32L130 MCU 搭配分离元器件替代集成驱动芯片（如 DRV8825）实现 57 步进电机驱动，核心是通过MCU 控制功率器件搭建 H 桥电路，实现绕组电流的换向、恒流斩波和细分驱动。以下从设计原理、硬件方案、软件实现三方面详细拆解，适配 57 两相混合式步进电机的驱动需求。

一、 核心设计原理

1. 分离式驱动器的核心逻辑

分离式驱动的本质是用 “MCU + 逻辑驱动 + 功率 MOS 管” 搭建两相 H 桥电路，替代集成芯片的功率层，同时通过 MCU 软件实现细分、恒流斩波等功能，整体架构如下：

A[HC32L130 MCU] --> B[逻辑驱动芯片（如74HC04）] B --> C[A相H桥（MOS管）] B --> D[B相H桥（MOS管）] C --> E[57步进电机A相绕组] D --> F[57步进电机B相绕组] G[电流采样电阻] --> H[HC32L130 ADC] H --> A[闭环调节PWM] I[电源模块] --> C & D & A

2. 关键技术原理

• H 桥换向：通过控制 H 桥上下桥臂 MOS 管的通断组合，实现绕组电流方向切换（对应电机转向）；
• 软件恒流斩波：MCU 通过 ADC 采集绕组电流，输出 PWM 信号调节 MOS 管导通时间，稳定绕组电流；
• 软件细分驱动：MCU 按细分规则（如 16 细分），调整 A/B 两相 PWM 占空比，实现电流梯度变化，拆分步距角。

二、 硬件设计方案

1. 核心元器件选型（适配 57 步进电机）

57 步进电机额定参数：电压 24V、额定电流 1.5~2.5A、步距角 1.8°，元器件选型需匹配功率需求：

2. 硬件电路设计（两相 H 桥）

（1） 单路 H 桥电路（A 相 / B 相通用）

V24[24V电源] --> Q1[Q1: IRF3205] --> M_A+[电机A+] M_A+ --> R1[0.05Ω采样电阻] --> GND M_A-[电机A-] --> Q2[Q2: IRF3205] --> GND V24 --> Q3[Q3: IRF3205] --> M_A- M_A+ --> Q4[Q4: IRF3205] --> GND D1[FR107] --> Q1源极-漏极 D2[FR107] --> Q2源极-漏极 D3[FR107] --> Q3源极-漏极 D4[FR107] --> Q4源极-漏极 U1[IR2104] --> Q1栅极 U1 --> Q2栅极 U2[IR2104] --> Q3栅极 U2 --> Q4栅极 HC32L130 --> U1(IN) HC32L130 --> U2(IN) R1 --> ADC1[HC32L130 ADC1]

（2） 电路设计关键规则

1. H 桥通断逻辑：同一桥臂的上下 MOS 管（如 Q1 和 Q4）不能同时导通，否则会导致电源短路（需软件互锁 + 硬件死区）；
2. 光耦 / 驱动隔离：MCU 的 3.3V 逻辑信号通过 6N137 光耦隔离后，接入 IR2104 驱动 MOS 管，避免 24V 高压串入 MCU；
3. 电流采样：采样电阻串联在电机绕组回路中，两端接 HC32L130 的 ADC 引脚（需串联 1kΩ 限流电阻）；
4. 续流二极管：每个 MOS 管的源极 - 漏极反向并联快恢复二极管，吸收绕组断电时的反电动势，保护 MOS 管；
5. 死区时间：MCU 输出 PWM 时，需设置≥1μs 的死区时间，避免上下桥臂 MOS 管同时导通。

（3） HC32L130 引脚分配（参考）

3. 硬件注意事项

1. 散热设计：IRF3205 工作时会发热，需加装散热片（尤其是 2.5A 大电流场景）；
2. 电源滤波：24V 电源输入端并接 2200μF 电解电容，减小电流纹波对 MCU 的干扰；
3. 布线规则：功率回路（MOS 管 - 电机 - 采样电阻）布线尽量短、粗，减少线阻和电磁干扰；
4. 过流保护：可在电源端串联自恢复保险丝（3A），避免短路烧毁元器件。

三、 软件实现方案

软件核心是通过 HC32L130 实现H 桥换向控制、软件恒流斩波、16 细分驱动，代码基于 Keil MDK，适配 HC32L130 底层库。

1. 核心代码框架

/******************************************************************************* * 头文件包含 ******************************************************************************/ #include "hc32l130.h" #include "hc32l130_gpio.h" #include "hc32l130_clk.h" #include "hc32l130_adc.h" #include "hc32l130_tmr0.h" /******************************************************************************* * 宏定义 ******************************************************************************/ // 电机参数 #define MOTOR_CURRENT_TARGET 2000 // 目标电流2000mA（2A） #define SAMPLING_RESISTOR 0.05f // 采样电阻0.05Ω #define ADC_REF_VOLTAGE 3300 // ADC参考电压3300mV #define ADC_RESOLUTION 4096 // 12位ADC分辨率 // 细分配置（16细分） #define MICRO_STEP 16 // 16细分电流梯度表（A/B相电流占空比，0~100） const uint8_t micro_step_table[MICRO_STEP][2] = { {100, 0}, {100, 12}, {100, 25}, {100, 37}, {100, 50}, {100, 62}, {100, 75}, {100, 87}, {100, 100}, {87, 100}, {75, 100}, {62, 100}, {50, 100}, {37, 100}, {25, 100}, {12, 100} }; // 引脚定义 #define EN_PIN GPIO_PIN_02 #define DIR_PIN GPIO_PIN_03 #define GPIO_PORT GPIO_PORT_B /******************************************************************************* * 全局变量 ******************************************************************************/ uint16_t adc_value_a = 0; // A相电流采样值 uint16_t adc_value_b = 0; // B相电流采样值 uint8_t current_step = 0; // 当前细分步数 /******************************************************************************* * 函数声明 ******************************************************************************/ void System_Init(void); void GPIO_Init(void); void ADC_Init(void); void PWM_Init(void); uint16_t Get_Motor_Current(uint8_t phase); // 获取电机相电流 void Current_Control(uint8_t phase, uint8_t duty); // 恒流控制 void Motor_Run(uint32_t steps, uint8_t dir); // 电机运行控制 /******************************************************************************* * 主函数 ******************************************************************************/ int main(void) { System_Init(); // 系统初始化 while(1) { // 正转一圈（16细分，3200步） Motor_Run(3200, 1); Delay_ms(1000); // 反转半圈（1600步） Motor_Run(1600, 0); Delay_ms(1000); } } /******************************************************************************* * 系统初始化：时钟+GPIO+ADC+PWM ******************************************************************************/ void System_Init(void) { // 1. 时钟初始化（48MHz） Clk_SetSysClk(CLK_SOURCE_HRC, CLK_HRC_FREQ_48MHz); // 2. GPIO初始化 GPIO_Init(); // 3. ADC初始化（电流采样） ADC_Init(); // 4. PWM初始化（H桥驱动） PWM_Init(); // 5. 使能电机 GPIO_ResetPins(GPIO_PORT, EN_PIN); } /******************************************************************************* * GPIO初始化 ******************************************************************************/ void GPIO_Init(void) { CLK_FcgPeriphClockCmd(CLK_FCG_GPIO, Enable); // 使能、方向引脚推挽输出 GPIO_SetFunc(GPIO_PORT, EN_PIN, GPIO_FUNC_GPIO); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT, DIR_PIN, GPIO_FUNC_GPIO); GPIO_SetOutputMode(GPIO_PORT, EN_PIN, GPIO_OUT_MODE_PP); GPIO_SetOutputMode(GPIO_PORT, DIR_PIN, GPIO_OUT_MODE_PP); // 初始状态：使能高（关闭）、方向正转 GPIO_SetPins(GPIO_PORT, EN_PIN); GPIO_SetPins(GPIO_PORT, DIR_PIN); } /******************************************************************************* * ADC初始化：采样A/B相电流 ******************************************************************************/ void ADC_Init(void) { stc_adc_cfg_t adc_cfg; CLK_FcgPeriphClockCmd(CLK_FCG_ADC, Enable); ADC_DeInit(); ADC_CfgStructInit(&adc_cfg); adc_cfg.enAdcMode = ADC_MODE_SINGLE; // 单次采样模式 adc_cfg.enAdcClkDiv = ADC_CLKDIV_DIV4; // ADC时钟分频4 adc_cfg.enAdcAlign = ADC_ALIGN_RIGHT; // 右对齐 ADC_Cfg(&adc_cfg); // 配置PB00（A相）、PB01（B相）为ADC输入 GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_B, GPIO_PIN_00, GPIO_FUNC_2); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_B, GPIO_PIN_01, GPIO_FUNC_2); ADC_Enable(); } /******************************************************************************* * PWM初始化：TMR0输出4路PWM（A相H桥）+ 4路PWM（B相H桥） ******************************************************************************/ void PWM_Init(void) { stc_tmr0_basecfg_t tmr0_cfg; stc_tmr0_chcfg_t tmr0_chcfg; CLK_FcgPeriphClockCmd(CLK_FCG_TMR0, Enable); // 通用配置：10kHz PWM频率 TMR0_BaseCfgStructInit(&tmr0_cfg); tmr0_cfg.enCntMode = TMR0_MODE_TIMER; tmr0_cfg.enClkDiv = TMR0_CLKDIV_DIV16; tmr0_cfg.u16Period = (SystemCoreClock/16)/10000 - 1; // 自动重载值 TMR0_BaseCfg(TMR0_CH0, &tmr0_cfg); TMR0_BaseCfg(TMR0_CH1, &tmr0_cfg); TMR0_BaseCfg(TMR0_CH2, &tmr0_cfg); TMR0_BaseCfg(TMR0_CH3, &tmr0_cfg); // 配置PWM模式，占空比初始0 TMR0_ChCfgStructInit(&tmr0_chcfg); tmr0_chcfg.enCapComMode = TMR0_CAPCOM_MODE_PWM; tmr0_chcfg.u16Compare = 0; tmr0_chcfg.enOutPolarity = TMR0_OUTPOLARITY_HIGH; TMR0_ChCfg(TMR0_CH0, &tmr0_chcfg); TMR0_ChCfg(TMR0_CH1, &tmr0_chcfg); TMR0_ChCfg(TMR0_CH2, &tmr0_chcfg); TMR0_ChCfg(TMR0_CH3, &tmr0_chcfg); // 映射PWM引脚（PA00~PA07） GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_00, GPIO_FUNC_1); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_01, GPIO_FUNC_1); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_02, GPIO_FUNC_1); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_03, GPIO_FUNC_1); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_04, GPIO_FUNC_1); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_05, GPIO_FUNC_1); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_06, GPIO_FUNC_1); GPIO_SetFunc(GPIO_PORT_A, GPIO_PIN_07, GPIO_FUNC_1); // 使能PWM输出 TMR0_Cmd(TMR0_CH0, Enable); TMR0_Cmd(TMR0_CH1, Enable); TMR0_Cmd(TMR0_CH2, Enable); TMR0_Cmd(TMR0_CH3, Enable); TMR0_ChOutputCmd(TMR0_CH0, Enable); TMR0_ChOutputCmd(TMR0_CH1, Enable); TMR0_ChOutputCmd(TMR0_CH2, Enable); TMR0_ChOutputCmd(TMR0_CH3, Enable); } /******************************************************************************* * 获取电机相电流（mA） * @param phase: 0=A相，1=B相 ******************************************************************************/ uint16_t Get_Motor_Current(uint8_t phase) { uint16_t adc_val = 0; float voltage = 0.0f; float current = 0.0f; // 启动ADC采样 if(phase == 0) { ADC_SetChannel(ADC_CHANNEL_8); // PB00对应ADC通道8 } else { ADC_SetChannel(ADC_CHANNEL_9); // PB01对应ADC通道9 } ADC_Start(); while(ADC_GetStatus() != ADC_FLAG_EOC); // 等待采样完成 adc_val = ADC_GetData(); // 计算电流：电压 = (ADC值/分辨率)*参考电压；电流 = 电压/采样电阻 voltage = (float)adc_val * ADC_REF_VOLTAGE / ADC_RESOLUTION; current = voltage / SAMPLING_RESISTOR; return (uint16_t)current; } /******************************************************************************* * 恒流控制：调节PWM占空比，稳定相电流 * @param phase: 0=A相，1=B相 * @param duty: 目标占空比（0~100） ******************************************************************************/ void Current_Control(uint8_t phase, uint8_t duty) { uint16_t current = 0; uint16_t target_duty = 0; uint16_t period = TMR0_GetPeriod(TMR0_CH0); // 计算目标占空比对应的PWM比较值 target_duty = (uint16_t)((float)period * duty / 100); // 闭环调节：采样电流 → 调整PWM占空比 current = Get_Motor_Current(phase); if(current < MOTOR_CURRENT_TARGET) { // 电流不足，增大占空比 target_duty += 5; if(target_duty > period) target_duty = period; } else if(current > MOTOR_CURRENT_TARGET) { // 电流过大，减小占空比 target_duty -= 5; if(target_duty < 0) target_duty = 0; } // 设置对应相的PWM占空比 if(phase == 0) { TMR0_SetCompare(TMR0_CH0, target_duty); // A相PWM1 TMR0_SetCompare(TMR0_CH1, target_duty); // A相PWM2 } else { TMR0_SetCompare(TMR0_CH2, target_duty); // B相PWM1 TMR0_SetCompare(TMR0_CH3, target_duty); // B相PWM2 } } /******************************************************************************* * 电机运行控制：按细分规则转动指定步数 * @param steps: 总步数 * @param dir: 方向（1=正转，0=反转） ******************************************************************************/ void Motor_Run(uint32_t steps, uint8_t dir) { uint32_t i = 0; // 设置方向 if(dir) GPIO_SetPins(GPIO_PORT, DIR_PIN); else GPIO_ResetPins(GPIO_PORT, DIR_PIN); // 按细分表逐步控制 for(i=0; i<steps; i++) { // 正/反转细分索引 uint8_t step_idx = dir ? current_step : (MICRO_STEP - 1 - current_step); // 恒流控制A/B相电流 Current_Control(0, micro_step_table[step_idx][0]); Current_Control(1, micro_step_table[step_idx][1]); // 更新细分步数 current_step++; if(current_step >= MICRO_STEP) current_step = 0; // 控制转速：延时调节（可替换为定时器中断） Delay_us(500); } } /******************************************************************************* * 延时函数（ms/us） ******************************************************************************/ void Delay_ms(uint32_t ms) { while(ms--) Delay_us(1000); } void Delay_us(uint32_t us) { us *= (SystemCoreClock / 1000000) / 5; while(us--) __NOP(); }

2. 核心功能解析

（1） 软件恒流斩波

• MCU 通过 ADC 实时采样绕组电流，与目标电流（2A）对比；
• 若电流不足，增大 PWM 占空比（MOS 管导通时间变长）；若电流过大，减小占空比；
• 替代 DRV8825 的硬件恒流斩波，通过软件闭环实现电流稳定。

（2） 16 细分驱动

• 预定义 16 细分电流梯度表，每一步调整 A/B 相 PWM 占空比，实现电流从 0→最大值的梯度变化；
• 正反转通过反转细分表索引实现，避免硬件换向逻辑的复杂调整。

（3） H 桥互锁保护

• 软件中确保同一桥臂的上下 MOS 管不同时导通（通过 PWM 占空比互锁）；
• 可额外增加硬件死区电路，进一步避免短路风险。

3. 软件优化建议

1. 定时器中断驱动：将细分步进逻辑放到定时器中断中，避免主循环延时占用 CPU 资源；
2. PID 算法优化：用 PID 替代简单的增减占空比，提升电流控制的稳定性；
3. 过流保护：采样电流超过 3A 时，立即关闭所有 PWM 输出，触发硬件保护；
4. 细分表优化：采用正弦波细分表（而非线性梯度），进一步降低电机振动。

四、 调试与故障排查

五、 总结

关键点回顾

1. 分离式驱动的核心是HC32L130+IR2104+IRF3205 搭建两相 H 桥，替代集成驱动芯片的功率层，软件实现恒流和细分；
2. 硬件设计需重点关注H 桥互锁、电流采样、续流保护，避免短路和 MOS 管烧毁；
3. 软件核心是ADC 闭环恒流控制 + 细分电流梯度表，实现与 DRV8825 等效的驱动效果。

方案对比（分离式 vs DRV8825）

该方案适合对成本敏感、需要自定义驱动逻辑的场景，调试完成后可达到与 DRV8825 相当的驱动效果，完全满足 57 步进电机的调速、定位需求。