聊一聊步進(jìn)電機(jī)的幾件事

什么是步進(jìn)電機(jī)？

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。

對于步進(jìn)電機(jī)，每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。

下面看一個(gè)簡單的雙極電機(jī)：

圖 1. 雙極電機(jī)

雙極步進(jìn)電機(jī)有四根電線和兩個(gè)線圈。要使其旋轉(zhuǎn)，需要通過線圈發(fā)送電流。每根電線都需要能夠被高低驅(qū)動(dòng)。以下是如何驅(qū)動(dòng)電流使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖 2. 雙極步進(jìn)電機(jī)

要理解為什么這樣做，請考慮一個(gè)只有四個(gè)步驟的簡單步進(jìn)電機(jī)。在第一階段，它將磁體與第一線圈對齊。下一步將磁體旋轉(zhuǎn)90度。通過第一線圈反向發(fā)送電流會(huì)反轉(zhuǎn)磁體極性。相反的線圈被連接，但相對于中心磁體產(chǎn)生相反的磁場。

圖 3. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)步驟

當(dāng)然，大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)超過4步。你的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)200步。以這種方式旋轉(zhuǎn)電機(jī)稱為全步進(jìn)。一旦你完成了全步工作，半步是非常簡單的。你可以同時(shí)通過兩個(gè)線圈發(fā)送電流，這將使分辨率加倍。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也可以使用微步進(jìn)，微步進(jìn)調(diào)節(jié)通過線圈的電流。典型的電機(jī)控制器可以在每一個(gè)完整的步驟中執(zhí)行16個(gè)微步驟。一些芯片負(fù)責(zé)調(diào)制電流，但較舊的芯片需要為其驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)“調(diào)諧”。微步進(jìn)進(jìn)一步將整個(gè)步進(jìn)劃分為256微步進(jìn)，使典型的200步進(jìn)電機(jī)變成51200步進(jìn)電機(jī)！微步進(jìn)還降低了電機(jī)的噪音，使其運(yùn)行更平穩(wěn)、更高效。

圖 4. 完整步驟1和2之間的半步

如何控制線圈中的電流

控制通過繞組的電流的最常見設(shè)置是使用所謂的H橋。它是一組四個(gè)晶體管，可以將每條導(dǎo)線拉高或拉低。你也可以用MOS管代替晶體管，但布線會(huì)有點(diǎn)不同。該圖顯示了如何通過H橋向任意方向發(fā)送電流。你只需要打開路徑中的晶體管。

圖5. 線圈中的電流方向

你必須確保同一側(cè)的兩個(gè)晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通。這將通過提供從電源到接地的低電阻路徑使電路短路。你還應(yīng)注意，晶體管可能需要一段時(shí)間才能從接通切換到斷開。除非你知道自己在做什么，否則不建議快速切換通過線圈的電流。

圖 6 . 必須確保同一側(cè)的兩個(gè)晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通

這仍然不是全貌。旋轉(zhuǎn)電機(jī)將產(chǎn)生電壓。為了保護(hù)晶體管，最好放置二極管。

圖7. 用于保護(hù)晶體管的二極管

這將防止電機(jī)產(chǎn)生高壓，這可能會(huì)破壞晶體管甚至驅(qū)動(dòng)器。如果驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電壓高于MCU輸出的電壓，則需要添加另一個(gè)晶體管來控制PNP晶體管。

圖8. 使用另一個(gè)晶體管來控制PNP晶體管

當(dāng)你打開額外的NPN晶體管時(shí)，它將允許電流從PNP晶體管的基極（引腳1）流出，從而打開它?，F(xiàn)在所需要的只是所有NPN晶體管基極上的限流電阻。

圖 9. NPN晶體管基極加上的限流電阻

就是這樣！該H橋?qū)⒖刂仆ㄟ^其中一個(gè)繞組的電流。由于有兩個(gè)繞組，我們需要將這個(gè)電路加倍。

圖10. 雙H橋驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

現(xiàn)在，你可以很好地計(jì)算所需的組件。使用雙H橋并不是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的唯一方法。你也可以購買步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它將內(nèi)置雙H橋（盡管驅(qū)動(dòng)器通常使用MOS管和其他技巧）。如果你想減少BOM數(shù)量（有時(shí)獲得更多功能），我建議你看看步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。你需要查看數(shù)據(jù)表以了解芯片提供的功能。一些芯片只提供晶體管和二極管，而其他芯片則完全控制通過線圈的電流。

微步進(jìn)

圖11. 脈寬調(diào)制信號

微步進(jìn)包括向晶體管發(fā)送脈寬調(diào)制信號。這是一種控制電機(jī)線圈電流的簡單方法。預(yù)先選擇的PWM值被放置在正弦查找表中。典型地，選擇20-40kHz的PWM頻率。任何低于20千赫的聲音，人類耳朵都能聽到。頻率保持低于40kHz以提高效率并減少晶體管中的功耗。當(dāng)PWM信號為高時(shí)，電流流過晶體管。當(dāng)PWM信號低時(shí)，電流流過二極管。這是一個(gè)非常粗糙的微步進(jìn)實(shí)現(xiàn)，但它給出了它如何工作的一般概念。使用MOS管的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以控制電機(jī)電流降低或衰減的速度。驅(qū)動(dòng)器的電流波形更像這樣：

圖 12. 流經(jīng)MOS管電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流

必須為其驅(qū)動(dòng)的電機(jī)手動(dòng)優(yōu)化快速衰減周期和慢速衰減周期。一些新芯片會(huì)根據(jù)其感應(yīng)到的電流自動(dòng)調(diào)整衰減周期，但舊芯片可能需要優(yōu)化（或調(diào)整）。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)例

實(shí)例：使用控制板Arduino Mega控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板TMC5130-EVAL來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

圖 13. 使用 Arduino Mega 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 TMC5130-EVAL

控制器：Arduino Mega 2560是一款基于ATmega2560的微控制器板。它有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中15個(gè)可以用作PWM輸出）、16個(gè)模擬輸入、4個(gè)UART（硬件串行端口）、一個(gè)16 MHz晶體振蕩器、一個(gè)USB連接、一個(gè)電源插座、一個(gè)ICSP頭和一個(gè)復(fù)位按鈕。它包含支持微控制器所需的一切；只需用USB電纜將其連接到計(jì)算機(jī)，或用交流到直流適配器或電池為其供電即可開始使用。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板：TMC5130是一個(gè)完全集成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器系統(tǒng)，允許從任何微控制器遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)。它在硬件上實(shí)現(xiàn)了所有實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)。一旦配置，電機(jī)可以通過給出目標(biāo)位置、命令歸航序列或給出目標(biāo)速度來驅(qū)動(dòng)。使用TMC5130的好處包括：易于使用，使用256微步的電機(jī)精度，低電機(jī)噪聲（無噪聲隱藏?cái)夭ㄆ鳎?，無傳感器失速檢測（stallGuard2），無階躍損耗，dcStep和coolStep、UART或SPI控制接口的高效率，高電壓范圍，小形狀因數(shù)，以及低部件數(shù)量。

1. 確保Arduino Mega與TMC5130-EVAL有電壓匹配

如果Arduino是5V控制板，則必須將TMC5130-EVAL上的一個(gè)電阻從位置R3重新定位到R8。這將TMC5130的邏輯電平設(shè)置為+5V。

2. 連線

圖 14. TMC5130與Arduino Mega 2560連接 （圖片來源于Trinamic）

上圖的電纜顏色

+5V - >紅色

GND - >藍(lán)色

SDO - >黃色

SDI - >橙色

SCK - >白色

CSN - >灰色

DRV_ENN - >黑色

CLK16 - >綠色

圖 15. 引腳對應(yīng)的信號 （圖片來源于Trinamic）

引腳對應(yīng)的信號。在Arduino代碼的注釋部分記錄了配置。

ARDUINO代碼

下面的Arduino代碼不需要任何額外的庫。SPI庫是Arduino IDE附帶的。該程序初始化TMC5130并執(zhí)行簡單的移動(dòng)到位置周期。它將根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的接線將200全步進(jìn)電機(jī)向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)。請使用TMC5130數(shù)據(jù)表或TMCL IDE作為不同寄存器的參考。

#include <SPI.h>

#include "TMC5130_registers.h"

/* The trinamic TMC5130 motor controller and driver operates through an

* SPI interface. Each datagram is sent to the device as an address byte

* followed by 4 data bytes. This is 40 bits (8 bit address and 32 bit word).

* Each register is specified by a one byte (MSB) address: 0 for read, 1 for

* write. The MSB is transmitted first on the rising edge of SCK.

*

* Arduino Pins Eval Board Pins

* 51 MOSI 32 SPI1_SDI

* 50 MISO 33 SPI1_SDO

* 52 SCK 31 SPI1_SCK

* 25 CS 30 SPI1_CSN

* 17 DIO 8 DIO0 (DRV_ENN)

* 11 DIO 23 CLK16

* GND 2 GND

* +5V 5 +5V

*/

int chipCS = 25;

const byte CLOCKOUT = 11;

// const byte CLOCKOUT = 9; --> Uncomment for UNO, Duemilanove, etc...

int enable = 17;

void setup() {

// put your setup code here, to run once:

pinMode(chipCS,OUTPUT);

pinMode(CLOCKOUT,OUTPUT);

pinMode(enable, OUTPUT);

digitalWrite(chipCS,HIGH);

digitalWrite(enable,LOW);

//set up Timer1

TCCR1A = bit (COM1A0); //toggle OC1A on Compare Match

TCCR1B = bit (WGM12) | bit (CS10); //CTC, no prescaling

OCR1A = 0; //output every cycle

SPI.setBitOrder(MSBFIRST);

SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8);

SPI.setDataMode(SPI_MODE3);

SPI.begin();

Serial.begin(9600);

sendData(0x80,0x00000000); //GCONF

sendData(0xEC,0x000101D5); //CHOPCONF: TOFF=5, HSTRT=5, HEND=3, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)

sendData(0x90,0x00070603); //IHOLD_IRUN: IHOLD=3, IRUN=10 (max.current), IHOLDDELAY=6

sendData(0x91,0x0000000A); //TPOWERDOWN=10

sendData(0xF0,0x00000000); // PWMCONF

//sendData(0xF0,0x000401C8); //PWM_CONF: AUTO=1, 2/1024 Fclk, Switch amp limit=200, grad=1

sendData(0xA4,0x000003E8); //A1=1000

sendData(0xA5,0x000186A0); //V1=100000

sendData(0xA6,0x0000C350); //AMAX=50000

sendData(0xA7,0x000186A0); //VMAX=100000

sendData(0xAA,0x00000578); //D1=1400

sendData(0xAB,0x0000000A); //VSTOP=10

sendData(0xA0,0x00000000); //RAMPMODE=0

sendData(0xA1,0x00000000); //XACTUAL=0

sendData(0xAD,0x00000000); //XTARGET=0

}

void loop()

{

// put your main code here, to run repeatedly:

sendData(0xAD,0x0007D000); //XTARGET=512000 | 10 revolutions with micro step = 256

delay(20000);

sendData(0x21,0x00000000);

sendData(0xAD,0x00000000); //XTARGET=0

delay(20000);

sendData(0x21,0x00000000);

}

void sendData(unsigned long address, unsigned long datagram)

{

//TMC5130 takes 40 bit data: 8 address and 32 data

delay(100);

uint8_t stat;

unsigned long i_datagram;

digitalWrite(chipCS,LOW);

delayMicroseconds(10);

stat = SPI.transfer(address);

i_datagram |= SPI.transfer((datagram >> 24) & 0xff);

i_datagram <<= 8;

i_datagram |= SPI.transfer((datagram >> 16) & 0xff);

i_datagram <<= 8;

i_datagram |= SPI.transfer((datagram >> 8) & 0xff);

i_datagram <<= 8;

i_datagram |= SPI.transfer((datagram) & 0xff);

digitalWrite(chipCS,HIGH);

Serial.print("Received: ");

PrintHex40(stat, i_datagram);

Serial.print("\n");

Serial.print(" from register: ");

Serial.println(address,HEX);

}

void PrintHex40(uint8_t stat, uint32_t data) // prints 40-bit data in hex with leading zeroes

{

char tmp[16];

uint16_t LSB = data & 0xffff;

uint16_t MSB = data >> 16;

sprintf(tmp, "0x%.2X%.4X%.4X", stat, MSB, LSB);

Serial.print(tmp);

}

代碼來源于：Trinamic 博客（關(guān)于代碼的問題，可以去Trinamic博客上了解更多）

總結(jié)

希望這篇文章，可以幫助您了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及如何驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)已經(jīng)很成熟，善于利用現(xiàn)有的硬件和代碼，才能事半功倍。