这次项目的讲解分为4各部分，分别是简介(1/4)、基础知识(2/4)、程序开发(3/4)和联合调试(4/4)，这一次内容属于基础知识(2/4)，可以对应文章标题（↑）快速定位目前处于哪一讲解环节。

 

首先声明：文中提到的任何（包括但不限于）产品、技术、商品和商家等一系列具有潜在的（包括但不限于）经济支持、赞助等各种经济利益给与的可能的情况都是不存在的。说人话就是这篇博文中提到的一些东西仅是我个人多年来的经验总结的一些看法，与他人无关，且对事不对人，如有雷同，纯属巧合。

这次讲的东西会非常多，所以目录的存在是必须的，你可以根据自己对软硬件开发的了解程度选择性的看看。

目录

一、介绍电机相关套件

1. 电机是什么

2. 电机的类型

3. 运动传动方式

4. 驱动器讲解

5. 位置的获取

6. 速度、加速度和步进长度等参数的计算方法

7. 精度的测量

二、介绍STM32

1. 常用开发芯片的种类

2. STM32系列ARM Cortex-M架构的芯片

3. 芯片选型的方法

4. 现有的国产替代（基于2021.10.24）

5. STM32F4xx的开发方法

6. STM32CubeMX软件的使用

7. 代码移植

8. STM32F407片上资源介绍

9. keil开发环境的搭建

三、介绍Qt

1. 什么是Qt

2. 如何使用Qt

3. Qt开发环境的搭建

4. 界面的开发（*.ui）

5. 常用的各类组件

6. 代码的开发(*.cpp with *.ui)

四、介绍USB协议

1. 什么是USB

2. USB的发展历史

3. 全速和高速USB的通信协议

4. USB固定的通信方案

五、介绍电路设计

1. STM32F407ZGT6核心板的电路设计

2. 常用的设计软件

3. 设计一个简单的驱动电压转换电路

相关连接：

---

一、介绍电机相关套件

1. 电机是什么

       电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。

将电能转换成动能的是电动机，将动能转换为电能的是发电机，本文提到的电机都是电动机，也就是将电能转换为动能的设备。

电机根据不同的需求发展到今天产生了很多门类的细分，不同的工作需求可以有合适的电机种类胜任相关的工作，下面我们来看一下各种类型的电机。

2. 电机的类型

这里推荐一下不看后悔！最全的电机分类，看这一篇就够了！ – 知乎

我也将上文中的分类粗略的做了几张图供大家参考：

  图1.2.1（工作电源种类）

 

   图1.2.2（结构和工作原理）

 图1.2.3（电机用途）

       （还有一种电机叫直线电机（图1.2.4），其实在开发这个项目的时候我也考虑过，它有着优秀的精度、准确的定位、没有回程差和速度性能优异等一系列优点，奈何它价格相对昂贵）

 图1.2.4 直线电机

       每种分类下的各种电机都有它自身所擅长的领域，篇幅有限这里我不展开说，大家只需要了解在电机界有这么个东西就行。

我们再仔细说说步进电机：

首先是开环和闭环步进电机的区别，做过电压转换电路、设计过运算放大器和调过PID的同学肯定都知道什么是反馈，闭环控制就是反馈控制。书上的语言：开环控制是指无反馈信息的系统控制方式，闭环是指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。说人话：开环可以类比为烧水时想稳定在50℃，我们唯一能控制的只有火力大小，所以我们没办法精确控制只能凭经验；闭环控制就是在水中放了个温度计（反馈源）可以实时显示现在的温度（反馈量），我们可以根据提示的温度去控制火候（反馈控制输入端）。

所以开环步进电机在运行时假设我们期望输出500步，但我们没有方法去实时监测它实际运行了多少，也许是495也许是510，这种实际步数和期望步数不一样的情况被称之为丢步；闭环步进电机一般会在转子后（电机的屁股）封装一个光栅尺或磁栅尺，它的作用就像是个检票员，有多少个脉冲成功上车它就吼多少声（只是个类比，实际情况更复杂），其精度可以做到非常高，一般来说会以多少千线为单位，线数越多精度越高，他们的内部的检测方式不做深究。

 图1.2.5 步进电机内部结构

       其次是步进电机的工作原理：通常步进电机由两部分组成：转子和定子（如图1.2.5），转子是步进电机中能转动的部分（在中间，与转轴连在一起），一般为永磁体（一直保持磁性的磁铁）；定子是步进电机中固定不动的部分（在外侧的一圈），一般会对定子绕满了电线，称之为绕组。根据相应物理定律，当在绕组中通过变化的电流时会产生变化的（矢量）磁场（具体物理过程可以参考稚晖君写的知乎）。（参考图1.2.6）因此当定子的矢量磁场旋转一个角度（对应电线中通电顺序改变），转子也随着该磁场转一个角度，因此每输入一个脉冲，电机就会转动一步，输出的角位移（转动度数、步距角）与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比，改变绕组通电的顺序，电机就会反转。因此可以通过控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

     

  图1.2.6  电机通电的运动                                                                            图1.2.7  电机通电定子的位置

       步距角来源于步进电机的内部结构，如果你小时候玩过四驱车，当你用手去拧马达时你肯定能感觉到转动的时候会一顿一顿的并不连贯，这是因为直流有刷电机内部的转子和定子绕组数量很少，因此能让转子的磁铁稳定的位置很少可以，只有如图1.2.7所示的6个（别杠！实际不止这么点，只是打个比方！），因此这类电机的低频特性（低转速、脉冲速度很慢）就很差，电机运动起来抖动会相当明显（稳定位置之间的距离太远）。步进电机为了解决这个问题，在设计结构时将定子内侧和转子外侧都加上了很多的小齿结构如图1.2.8和图1.2.9和图1.2.10，通过这些小齿的细分，步进电机可以在多达成百上千个位置稳定停止，就像把汽车轮胎从不太像圆形的六边形替换为了近似圆形的256边形，通过大量的细分边角让人在车里感受不到棱角带来的起伏震动。因此只要小齿结构越小越细密，步进电机能划分的稳定位置就越多，运动的抖动就会越不明显，当然也不是越多越好，划分太小了磁场的控制能力就会大大减弱，电机的驱动能力就会减弱。

       

图1.2.8 步进电机截面图                         图1.2.9 步进电机拆解图（定子）               图1.2.10 步进电机拆解图（定子和转子）

       最后是步进电机的特征参数：在市面上我见得比较多的步进电机的步距角一般为1.8°和0.9°，转动一圈分别需要360°/1.8°=200、360°/0.9°=400个脉冲信号，当然也有很多其他角度比如：0.72°，0.36°，1.5°，0.75°，等等，决定这些度数的关键就是上面刚说的小齿结构的数量以及绕组结构（在本节4驱动器部分细讲）。步进电机大小一般为固定的几种：42、57、60和86等更大的（也有更小的），这些数字指的是外形长宽的尺寸，高度根据各家的设计会不一样，单位是毫米。步进电机尺寸增大带来的主要性能提升是转动转矩（单位牛米），就如之前说的（划分太小了磁场的控制能力就会大大减弱，电机的驱动能力就会减弱），相同小齿结构数量的电机，外形体积越大、小齿体积越大，绕组越大，缠绕的导线越多，通过的电流越大，磁场也就越强，控制能力就会提高。

对应于这次项目的需求，我选择控制用电机中的步进电机（图1.2.11），没有选择伺服电机（图1.2.12）的原因，主要是在价格和精度之间平衡了一下，最终选择了闭环步进电机，精度控制也说得过去只不过没中高端伺服电机这么优秀。看完了这么多电机，下面我们来讲讲电机在工业中一般是怎么使用的。

 

 

图1.2.11 步进电机                         图1.2.12伺服电机

3. 运动传动方式

一般来说工业控制主要是以两种运动为主：平移和旋转。多轴工业机械臂（图1.3.1）主要利用电机旋转来进行工作，3D打印机的位移头/平台（图1.3.2）主要利用电机的旋转带动一些器件来做平行移动。

                  

图1.3.1 多轴机械臂                                         图1.3.2 3D打印位移头

       在器件直接连接电机的情况下，电机旋转式运动的运行速度和精度完全取决于电机的驱动能力，如果还有齿轮等一系列用于提升或降低某方面性能的转接件时（比如降低速度提高扭力，类似汽车变速箱），运行速度和精度还需要考虑外设的设计和加工水平。能直接平移式运动的电机除直线电机、音圈电机等驱动原理都不太一样的之外，大多还是采用丝杆（丝杠）传动的方式来间接实现，运行速度和精度也需要考虑丝杠和滑动平台之间的连接方式。一般来说，采用丝杆结构的运动都会存在一个难以用低成本方式消除的绝对影响：回程差（准确说法：传动间隙）（有人说用弹簧啊！直接拉紧（或用预压）不就好了吗！很多超高精密位移台不就是用压电陶瓷电机和带弹簧的交叉滚柱导轨这么设计的吗！）（这不废话吗，有可行性但是这会牺牲电机运动的各项性能，并且弹簧存在不可控性，谁知道什么时候弹力会失效）（我就见过一个用了才3年的带弹簧的交叉滚柱导轨弹簧失效了并且润滑油凝固了，滑台无法自己回到弹簧最紧状态的精密位移台）。

       回程差产生的原因主要在于丝杆和转动器件之间不可能实现真正意义上完全贴合（受限于加工精度），单向运动不存在回程差，但是在往返运动时回程差就会出现（比如丝杆导程1mm，滑动平台螺纹能卡住0.9mm，那么在前进时剩下的0.1mm空隙会始终在前进方向螺纹的前端，往回走时这0.1mm就会先走，但此时滑台并没有移动，这时回程差就是0.1mm，这比较理想化，实际情况会因为螺纹的存在而有更复杂的计算）。因此丝杠和滑动平台之间的连接方式就是决定回程差大小的决定性因素之一，现在主流的设计基本都是滚珠丝杠，结构透视图如图1.3.3所示。

   

     图1.3.3 滚珠丝杠                  图1.3.4 滚柱轴承            图1.3.5 悠悠球内部

       一长串的小圆珠在滑台中循环往复的流动，在降低传动摩擦的同时保持滑台运行的平稳性，这个设计类似滚珠轴承（图1.3.4，小时候我们玩的悠悠球内部[图1.3.5]就有一个这样的东西，越好的悠悠球内部滚珠轴承性能越好，摩擦力小带来更长的转动时间），都是用滚动摩擦力替代了滑动摩擦力，能有效降低阻力减少磨损减少发热（提高性能延长器件寿命）。小圆珠的最小体积和滑台内部小圆珠的流动方式共同决定了丝杆螺纹间距（螺距或导程，对于单线螺纹而言）的大小，目前市面上能供大众购买到的相对比较可靠的精密滚珠丝杆是上银（HIWIN）的那一堆系列（我个人的偏好，非喜勿喷）（有经验的大佬也可以在评论区留言推荐一下）。

 图1.3.6 圆不拉几的滚珠循环收纳器

       一般来说只有一个类似图1.3.6这样圆不拉几的滚珠循环收纳器（自创词汇切勿当真），是没办法直接使用的，为了能让使用者在平面上放置其他部件，一般会有以下几种设计方案：

1）双光杆（在两边） + 固定步进电机 + 平台 （图1.3.7）

2）双光杆 + 贯穿轴式步进电机平台  （没图）

双贯穿轴式步进电机 + 连杆平台 （参考B站-何同学-20211017的视频，emmm）

4）固定步进电机 + 滑台（红绿色的那个） （图1.3.8）

5）固定步进电机 + 双滑台（红绿色的那个） （图1.3.9）

等等

     

图1.3.7 双光杆+固定步进电机+平台       图1.3.8 固定步进电机+滑台         图1.3.9 固定步进电机+双滑台

       大家应该都能看得出就是排列组合拼凑一下就好，但是不同组合之间还是会有一些差别，尤其是贯穿轴式步进电机（图1.3.10）是一个自身就包含了电机和滚珠丝杆的整体结构（固定丝杆位置让电机工作时电机自身会前后移动）；固定步进电机是电机和丝杆固定，让滑台随转轴转动前后移动。

图1.3.10 贯穿轴式步进电机

       对于用步进电机设计的小型电控龙门吊而言，还会一次使用两个相同的驱动结构同时运行以提高长距离运行的载重能力和重心的稳定性，如图1.3.11。

 图1.3.11 小型龙门吊

        滑台依旧推荐上银（HIWIN）家的（我个人的偏好，非喜勿喷），因为在很多高价格（数万到数十万）的电动位移台整机设计厂商中我看到了此模块的应用，说明这家滑块的产品可靠性不低。至此，传动部分的知识大概介绍完毕，我使用的是上述4号方案——固定步进电机 + 滑台，其也有对应的成品，型号是上银（HIWIN）的KK40模组（如图1.3.12，搭成了X-Y轴二维位移平台，上银家祖传的红配绿丑到哭滑块看的我是又爱又恨，虽然也给我满桌要不银色、要不黑色的工作环境带来了一丝的生机(误) ）。

 图1.3.12 X-Y轴二维位移平台

       讲到这里，滑台也有了，电机也有了，那是不是就可以开始使用了呢！nonono~ 电机一般是设计一个D字口的转轴在外（主动轴），滑台也是一个D字口的转轴在外（从动轴），在电机转轴和滑台转轴之间还需要一个紧紧咬合双方一起转动的连接部件——轴联器，如图1.3.13所示。轴联器型号多到为此还设立了国标去统一设计，这里我们只是简单地介绍一下步进电机和伺服电机用得较多的单/双金属膜片轴联器。首先我们先理解工程力学里面的两个概念：

1. 刚性连接和挠性连接（柔性连接）：刚性连接简单来说就是两个连接件之间硬碰硬，没有弹性（可逆）或塑性（不可逆）形变；挠性连接就是两个连接件之间相对有缓冲，通过弹性或塑性形变吸收部分形变能量。

2. 偏心：指的是转动从动件和转动主动件绕轴运动的中心线不在一条直线上，此时双方互为偏心运动，也可以 ≈ 对径向偏差。

肯定很多人会说，【不就是两根轴嘛，直接在两个轴上套个桶紧固一下不就好了吗，干嘛这么麻烦】。这话说的没问题但是也有点问题，没问题在于确实需要一个桶来互相紧固，有问题在这个连接模型考虑的太理想化。很多时候由于主动件和从动件在存在加工误差、安装误差、承载变形、运行损耗和热胀冷缩等一系列不可控因素，导致两者的转动运动轴线不在同一条线上，如果单纯的采用理想化套筒来刚性连接双方，可能会剧烈磨损器件导致提前报废甚至引发安全事故。因此单/双膜片在轴联器中存在的意义：提供两轴间轴向挠性变化，并在垂轴（转轴）方向保持高强度的刚性连接，实现：无噪声（相对于齿轮轴联器）、高扭转刚度、低惯性及零背隙的需求，它在高速转动、精密控制场合有着不可替代的地位。单膜片的偏心处理能力没有双膜片好，但是成本低一些，不差钱直接上双膜片就好。轴联器有两个参数需要知道：一是它两边连接的轴径大小是可选的，比如一边4mm一边6mm；二是每个轴联器都有最大的传动功率，最高转速和最大扭力互为反比例关系。

 图1.3.13 各种型号的轴联器

      

讲完了电机和电机的传动方式，下一部分我们来探讨一下如何驱动电机。

4. 驱动器讲解

由于现在我还不是野生钢铁侠（bushi），所以暂时没这个时间去自己设计驱动电路（后面我会补上这个环节），如果有兴趣自己做驱动器的童鞋可以参考上述稚晖君的那篇讲解去学习如何使用FOC算法与SVPWM技术精准驱动电机。

驱动器，顾名思义，是一个用来驱动电机的器件，讲驱动器之前我们要先知道为什么会存在驱动器这个东西。在之前提到电机的绕组和小齿结构决定了步进电机的步距角时我并没有细说为什么会有这些（千奇百怪）的角度，这是因为步进电机的绕组也存在好几种不同的方式，一般被称之为 M 相 N 线：

       M 相是电机内部用于同一时间激发不同磁场的线圈组（相）的数目，这 M 相的绕组在定子上均匀（对称）分布，所以定子的磁极数必定是 M 的整数倍，因此转子转一圈的步数应该是 M 的整数倍，目前的电机内部设计一般有2、3、4和5相这几种类型，对应的的步距角就是：360°/2相/100步=1.8°（200步=0.9°）、360°/3相/80步=1.5°（160步=0.75°）、360°/4相/100步=0.9°和360°/5相/100步=0.72°（200步=0.36°）等等，相数越多，电机可稳定位置越多，低频特性越好，但是控制起来也越复杂（在没有更先进的技术[详见驱动器步数细分部分]前，为了获取更小的步进步数，会使用相数较多的电机）；

       N 线指的是从电机中引出来的电线数量，电机中每一相都是一组线圈，因此必定会有一进一出两根线（导电回路），所以理论上 N 线为 M 的整倍数，比如下图的2相电机的4、6和8线模式，但是有的电机会把负极（地线）或正极（电源线）这种公共端接在一起（取决于驱动用的NPN或PNP类型的三极管、P-Channel或N-Channel的场效应管或IGBT开关，对这些电学器件有兴趣可以自己看看），所以2相、4相电机也会有5线模式，反过来6线有可能是2、3、4和5相的模式，因此当电机拿到手时需要先明确它是几相的电机才方便下一步接线。总结一下：二相电机引出线可以是4根、5根、6根或8根，四相电机：引出线可以是5根、6根或8根，三相电机：引出线可以是3根、5根或6根，五相电机：引出线可以是5根、6根或10根。这些只是常见的接线组合方式，可能也会有其他的组合，内部的绕组具体如何对应外在的引出线需要查看电机制造商提供的技术文档。

 

     

 图1.4.1 步进电机2相4线                    图1.4.2 步进电机2相6线                    图1.4.3 步进电机2相8线

       在这其中还有一个特性也是需要知道的：电机绕组的单、双极性。

如上图1.4.1所示的2相4线，这就是一个双极性的绕组，定子磁极上的线圈为单线绕组，通过变换电流方向可以反转磁极（当电流从A流向C时产生（假定）朝上的磁通，当电流从C流向A时产生朝上的磁通），一般控制双极性的绕组需要8个晶体管，如下图1.4.4所示，通过正极的4个晶体管和负极的4个晶体管控制线圈的电流方向；

如上图1.4.2所示的2相6线，这就是一个单极性的绕组，定子磁极上的线圈为双线绕组，其中【白 WHT O】和【黑 BLK M】两个线头为公共端，统一接正极（电源端），绕组其中一组线从【O端口】往上绕到【A端口】，通电时产生（假定）朝上的磁通，绕组另一组线从【O端口】往下绕到【C端口】，通电时产生朝下的磁通，切不可同时将【A端口】和【C端口】接通，不然产生的磁通会相互抵消不能产生任何效果，一般控制单极性的绕组只需要双极性一半的晶体管，也就是4个，如下图1.4.5所示。单极性和双极性的绕组绕线方式可以参考图1.4.6。

   

 图1.4.4 双极性步进电机2相4线                                                        图1.4.5 步进电机2相6线

 

 图1.4.6 单极性、双极性绕组导线缠绕方式

       如上图1.4.6所示，假设导线的线径（粗细）相同、绕组长度相同，那么单极性绕组的AC线圈匝数与āC各为N匝，电阻各为R，双极性绕组的Aā线圈匝数为2N，电阻为2R，当用相同恒压V驱动电机工作在低速状态时，单极性和双极性的对比如表1所示，其中电流与线圈匝数的乘积称为安匝数，该参数与转动力矩（转矩）成正比（相同电流下线圈匝数越多磁力越强），如果两者转速相同，输出功率与安匝数有比例关系（W/F）。通过计算可知在相同输出功率W时，单极性的电流比双极性大2倍，因此相同转动力矩（与安匝数成比例）下双极性的能量效率要比单极性高一倍，具体参考图1.4.7。因此在低速应用时，对转动力矩或能量效率有较高要求时，应使用双极性电机驱动。但是在高速情况下，由于：1. 双极性电机匝数多，导通电流时电感变大，同时反电势增大，高速信号正反切换时反电势阻碍明显，导致正电势被抵消而减小，因此电流减小，安匝数（转动力矩）降低。2. 多一倍的场效应管带来更严格的最大频率限制（取决于Cgs，详见电学相关的知识）。因此在高速应用时一般会用单极性电机驱动。

表1 单极性双极性比较

	单极性	双极性
安匝数	F1=V*N/R	F2=V*2N/2R=V*N/R
输出功率	W1=(V/R)2*R=V2/R	W2=(V/2R)2*2R=V2/2R
能量效率	η=F1/W1=N/V	η=F2/W2=2N/V

 图1.4.7 单极性与双极性 频率pps-转矩 对比图

       说了这么多电机的东西，到底这些和驱动器有什么关系急，精彩就在后面。电脑上我们在接入一个设备时都会安装驱动软件，这个驱动软件就是用来恰接设备和系统之间的桥梁，因为系统不可能为世界上所有的设备去开发对应的驱动，一般都是由设备商为自己的设备开发系统驱动软件。对应到电机也是，虽然电机种类就那么多（M相N线），但是让用户自己去制作电机的驱动电路也太不优雅了，因此每个种类的电机都会有对应的驱动器去驱动。大部分的步进电机驱动器都长下图1.4.8这个样。

 图1.4.8 步进电机驱动器

       上位机和驱动器通信主要有2种方式：脉冲和总线。总线方式比较出名有：EtherCAT总线、RS485总线等，这类总线控制方式的驱动器使用起来非常方便，只需要与其通信简单的指令信息即可，驱动器内的主控芯片会自动去处理电机的运动过程，并且脉冲式驱动器可以在同一条总线上串联几十几百个驱动器，仅需要寥寥几根线，在多电机、远距离通信上具有绝对优势；脉冲式驱动器是通过其他设备（比如PLC、单片机和FPGA等）给脉冲信号和方向信号以及使能信号来进行工作，其中脉冲信号的数量和频率控制电机的运动步数和速度，方向信号用于控制电机转动方向，使能信号用于控制是否开启电机的控制，一般每个脉冲式驱动器需要最少3根信号（脉冲、方向、地线）控制线才能正常工作，电机数量一多线就会非常多，并且互相靠近的线之间的脉冲信号还会产生干扰带来不可控性，因此脉冲型驱动器一般用于成本要求严格和驱动电机数量不多的情况。

驱动器在电学上的意义很重要，它承担了上位机5V控制信号和24~48V电机的电压转换（单/双电压功率驱动）、电流控制（斩波恒流功率驱动）、开关电源（端口电流电压控制与切换）等一系列功率控制相关的内容，其中还有一个很重要的技术：步数细分。这项技术的核心作用是不论电机的相数（硬件）怎么样，通过精确的控制驱动电机的相电流（软件）进一步降低最小的步距角。

       如图1.4.9所示为两相电机的磁场控制矢量图（假定），其中Fa、Fb、Fc和Fd为定子绕组通电时能产生的磁力方向，一共4个方向（步数无细分）；简单一次细分是同时对Fa和Fb通电产生如图1.4.10的磁力Fab（但是如果Fa和Fb方向的开关只能控制绕组通断的话，Fab的箭头终点不会在圆上，而是以Fa和Fb为边长的正方形的右上角顶点处），同理可得也可以产生Fbc、Fcd和Fda，这时一共8个方向（步数2细分）；如果Fa与Fb的开关能控制通过绕组的电流大小，那么两个磁力的合力方向就可以随意控制，例如图1.4.11所示的任意方向，那么这时步数理论上可以做到无限多（步数无限细分）。因此驱动器能做的步数细分数量完全取决于其对电流控制的精度，精度越高，可控制的细分量越大，电机运行最小步数越低，低频特性越好。很多驱动器上的细分数量能标到好几万，实测下来也就几千的水平，因为环境温度湿度等因素会改变驱动器内部电流控制芯片的运行状

来源：OolongLemon