如何使用MATALB和Arduino控制步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種以離散步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的無(wú)刷直流電機(jī)，是許多精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的最佳選擇。此外，步進(jìn)電機(jī)適用于定位、速度控制和需要在低速時(shí)需要高扭矩的應(yīng)用。

在MATLAB之前的教程中，我們已經(jīng)解釋了如何使用MATLAB來(lái)控制直流電機(jī)，伺服電機(jī)和家用電器。今天我們將學(xué)習(xí)如何使用 MATALB 和 Arduino 控制步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的工作模式

在開(kāi)始對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編碼之前，您應(yīng)該了解步進(jìn)電機(jī)的工作或旋轉(zhuǎn)概念。由于步進(jìn)模式的定子由不同的線圈對(duì)構(gòu)成，因此每個(gè)線圈對(duì)都可以以許多不同的方法激勵(lì)，這使得模式可以在許多不同的模式下驅(qū)動(dòng)。以下是廣泛的分類

全步模式

在全步激勵(lì)模式下，我們可以以最少的匝數(shù)（步長(zhǎng)）實(shí)現(xiàn)完整的 360° 旋轉(zhuǎn)。但這會(huì)導(dǎo)致慣性減少，并且旋轉(zhuǎn)也不會(huì)平穩(wěn)。全步激勵(lì)還有另外兩種分類，它們是相控波步進(jìn)和兩種相進(jìn)模式。

1. 單相步進(jìn)或波步進(jìn)：在這種模式下，在任何給定時(shí)間，電機(jī)的一個(gè)端子（相位）將通電。這步數(shù)較少，因此可以實(shí)現(xiàn)完整的 360° 旋轉(zhuǎn)。由于步數(shù)較少，因此該方法消耗的電流也非常低。下表顯示了 4 相步進(jìn)電機(jī)的波形步進(jìn)順序

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2.兩相步進(jìn)：顧名思義，這種方法中兩個(gè)相將是一個(gè)。它具有與Wave步進(jìn)相同的步數(shù)，但由于一次通電兩個(gè)線圈，因此與以前的方法相比，它可以提供更好的扭矩和速度。雖然一個(gè)缺點(diǎn)是這種方法也會(huì)消耗更多的功率。

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半步模式

半步模式是單相開(kāi)啟和兩相開(kāi)啟模式的組合。這種組合將幫助我們克服上述兩種模式的缺點(diǎn)。

正如您可能已經(jīng)猜到的那樣，由于我們正在結(jié)合這兩種方法，因此我們必須在此方法中執(zhí)行8 個(gè)步驟才能獲得完整的旋轉(zhuǎn)。4相步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)關(guān)順序如下所示

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因此，您可以選擇在任何模式下對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程，但我更喜歡兩相步進(jìn)全步進(jìn)模式。由于這種方法比單相方法提供更快的速度，并且與半模式相比，由于兩相方法中的步驟數(shù)較少，編碼部分更少。

在此處了解有關(guān)步進(jìn)電機(jī)及其模式的更多信息

創(chuàng)建用于控制步進(jìn)電機(jī)的 MATLAB 圖形用戶界面

然后我們必須構(gòu)建GUI（圖形用戶界面）來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。要啟動(dòng) GUI，請(qǐng)?jiān)诿畲翱谥墟I入以下命令

guide

將打開(kāi)一個(gè)彈出窗口，然后選擇新的空白GUI，如下圖所示，

現(xiàn)在選擇兩個(gè)用于順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的切換按鈕，如下所示，

要調(diào)整按鈕的大小或更改按鈕的形狀，只需單擊它，您就可以拖動(dòng)按鈕的角。通過(guò)雙擊切換按鈕，您可以更改該特定按鈕的顏色、字符串和標(biāo)簽。我們自定義了兩個(gè)按鈕，如下圖所示。

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您可以根據(jù)自己的選擇自定義按鈕。

用于控制步進(jìn)電機(jī)的 MATLAB 代碼與 Arduino

用于控制步進(jìn)電機(jī)的完整MATLAB 代碼在本項(xiàng)目結(jié)束時(shí)給出。此外，我們?cè)诖颂幇珿UI文件（.fig）和代碼文件（.m）以供下載（右鍵單擊鏈接，然后選擇“將鏈接另存為...”）），您可以使用它們根據(jù)您的要求自定義按鈕。以下是我們使用兩個(gè)切換按鈕順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)所做的一些調(diào)整。

將以下代碼復(fù)制并粘貼到第 74 行，以確保每次運(yùn)行 m 文件時(shí) Arduino 都在與 MATLAB 通信。

clear all;

global a;

a = arduino();

向下滾動(dòng)時(shí)，您將看到為 GUI 中的兩個(gè)按鈕創(chuàng)建了兩個(gè)函數(shù)?，F(xiàn)在，根據(jù)要在單擊時(shí)執(zhí)行的任務(wù)在兩個(gè)函數(shù)中編寫(xiě)代碼。

在順時(shí)針按鈕的函數(shù)中，在函數(shù)結(jié)束之前復(fù)制并粘貼以下代碼，以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)電機(jī)。為了沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，我們使用while回路重復(fù)順時(shí)針?lè)较虻膬蓚€(gè)相位步進(jìn)全模式步驟。

while get(hObject,'Value')

global a;

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

end

現(xiàn)在，在逆時(shí)針按鈕的功能中，將以下代碼粘貼到函數(shù)的處，以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)電機(jī)。為了沿逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，我們使用 while 回路重復(fù)逆時(shí)針?lè)较虻膬蓚€(gè)相位步進(jìn)全模式步驟。

while get(hObject,'Value')

global a;

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

end

所需材料

MATLAB 安裝筆記本電腦（偏好：R2016a 或更高版本）

Arduino UNO

步進(jìn)電機(jī) （28BYJ-48， 5VDC）

ULN2003 - 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

電路圖

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使用 MATLAB 控制步進(jìn)電機(jī)

根據(jù)電路圖設(shè)置硬件后，只需單擊運(yùn)行按鈕即可在.m文件中運(yùn)行編輯后的代碼

MATLAB 可能需要幾秒鐘才能響應(yīng)，在 MATLAB 在左下角顯示忙消息之前不要單擊任何 GUI 按鈕，如下所示，

一切準(zhǔn)備就緒后，單擊順時(shí)針或逆時(shí)針按鈕以旋轉(zhuǎn)電機(jī)。當(dāng)我們使用撥動(dòng)按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將不斷沿順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，直到我們?cè)俅伟聪掳粹o。同樣，通過(guò)按下逆時(shí)針切換按鈕，電機(jī)開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，直到我們?cè)俅伟聪掳粹o。