步進(jìn)電機(jī)如何讓動(dòng)起來(lái)？步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理

一、實(shí)驗(yàn)原理

之前已經(jīng)講過(guò)了基于51單片機(jī)——步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)，原理和那個(gè)類似。

先簡(jiǎn)單介紹一下42步進(jìn)電機(jī)，42步進(jìn)電機(jī)是一種常見的步進(jìn)電機(jī)類型，是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備，42步進(jìn)電機(jī)通常由兩相或四相驅(qū)動(dòng)，每相都有一個(gè)線圈，今天咱們介紹的是兩相四線步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)依次激活不同的線圈，可以使電機(jī)按照一定的步進(jìn)角度旋轉(zhuǎn)。42步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)械系統(tǒng)中，例如打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械等。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。

下圖是關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)介紹：

需要注意的是電機(jī)兩相繞組是怎么繞的，A+、A-、B+、B-四根線代表的是什么意思，還有關(guān)鍵參數(shù)步距角：1.8°和額定電流1.0A。

1、步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造，拆開之后如圖所示：

42步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，是由定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)共同決定的，定子有48齒，轉(zhuǎn)子有50齒，具體是怎么算的，感興趣的同學(xué)可以自行學(xué)習(xí)，今天的重點(diǎn)是讓步進(jìn)電機(jī)如何讓動(dòng)起來(lái)。

2、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理：下圖為步進(jìn)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化圖：

定子分為8組，每六個(gè)齒為一組，一共48個(gè)，轉(zhuǎn)子有50個(gè)齒，其中1、3、5、7號(hào)繞組是一條線，2、4、6、8號(hào)繞組是另一條線，所以稱為兩相，A+和A-為一相，稱為A相，B+和B-為一相，稱為B相。通過(guò)特定的繞線方式實(shí)現(xiàn)在同一相中，相對(duì)的繞組磁極都是相同的，相鄰的繞組磁極是相反的，假如A相中的1和5是S極，那么3和7就是N極，B相同理。（初學(xué)者不要在這里鉆牛角尖，總是在想為什么是這樣，為什么不能是那樣，步進(jìn)電機(jī)的發(fā)明者就是這樣設(shè)計(jì)的，目前我們能學(xué)會(huì)它的構(gòu)造和原理，會(huì)使用就行，至于為什么這樣，等咱們的水平到位了再研究吧。）步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力是磁力，同性相排斥，異性相吸引，現(xiàn)在我們從位置“1”順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，講解控制方法。

①想要讓1位置的定子繞組齒和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，需要讓1位置繞組靠近轉(zhuǎn)子的一端磁極為N極，這樣才能吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到這個(gè)位置，根據(jù)“右手定則”可知，需要給A+高電平，A-低電平，B+和B-均為低電平。

②此時(shí)2位置的定子繞組齒和轉(zhuǎn)子齒之間的角度為1.8°，想要讓他們對(duì)齊，需要給B+高電平，B-低電平，A+和A-均為低電平，這樣他們也對(duì)齊了，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針轉(zhuǎn)了1.8°。

③此時(shí)3位置的定子繞組齒和轉(zhuǎn)子齒之間的角度為1.8°，想要讓他們對(duì)齊，需要給A-高電平，A+低電平，B+和B-均為低電平，這樣他們也對(duì)齊了，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針又轉(zhuǎn)了1.8°。

④此時(shí)4位置的定子繞組齒和轉(zhuǎn)子齒之間的角度為1.8°，想要讓他們對(duì)齊，需要給B-高電平，B+低電平，A+和A-均為低電平，這樣他們也對(duì)齊了，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針又轉(zhuǎn)了1.8°。

⑤此時(shí)5位置的定子繞組齒和轉(zhuǎn)子齒之間的角度為1.8°，想要讓他們對(duì)齊，需要給A+高電平，A-低電平，B+和B-均為低電平，這種情況和在1位置時(shí)一樣，開始循環(huán)1到4。

列一個(gè)表把上述位置對(duì)應(yīng)的電平狀態(tài)表示出來(lái)：

上述方式是四拍的驅(qū)動(dòng)方式，也是整步驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)都是一個(gè)步距角1.8°，如果想實(shí)現(xiàn)更小角度的步進(jìn)，可以用八拍的方式驅(qū)動(dòng)，也是半步驅(qū)動(dòng)，在1位置和2位置之間，2位置和3位置之間等，都可以停止，這樣步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一小步是0.9°。舉個(gè)例子，比如想要讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到1位置和2位置之間，可以讓A+和B+定子繞組都吸引轉(zhuǎn)子，二力平衡后，轉(zhuǎn)子就運(yùn)動(dòng)到了1和2之間。這樣需要給A+高電平，A-低電平，B+高電平，B-低電平。

其他的中間位置同理，八拍驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電平狀態(tài)表示出來(lái)：

按照上表中從上到下一次運(yùn)行暫且叫為正轉(zhuǎn)，那么從下往上就是反轉(zhuǎn)了，這樣步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的問題就解決了。

那么如何控制速度呢，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到1位置時(shí)，我們讓他延時(shí)一段時(shí)間再到下一個(gè)位置，這樣就可以控制速度了，延時(shí)的時(shí)間越長(zhǎng)，速度就越慢，延時(shí)的時(shí)間越短速度就越快，當(dāng)然時(shí)間也不是隨意的，要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)特性，找一個(gè)范圍，這樣步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的問題就解決了。

到這里步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理差不多就結(jié)束了，對(duì)應(yīng)原理把程序?qū)懗鰜?lái)就可以了。

3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板（L298N）

本次實(shí)驗(yàn)使用的驅(qū)動(dòng)板是L298N，這款驅(qū)動(dòng)板小巧簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)演示用足夠了，下面是它的基本參數(shù)：（注意供電電壓在要求范圍內(nèi)）

4、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題：

①如何區(qū)分A+、A-、B+、B-？

方法1：我們?cè)谫?gòu)買步進(jìn)電機(jī)時(shí)可以問一下店家，一般紅色的線是A+，藍(lán)色A-，綠色B+，黑色B-；也有可能是反過(guò)來(lái)，一般都是綠色和黑色是A相，紅色和藍(lán)色是B相。

方法2：?因?yàn)锳相和B相分別是一條導(dǎo)線繞出來(lái)的，所以可以使用萬(wàn)用表歐姆檔來(lái)測(cè)量電阻，同一相的阻值很小，只有幾歐姆，不是同一相的阻值無(wú)限大，測(cè)出來(lái)同一相后，至于是A+還是A-那是人為規(guī)定的。

方法3：拿任意一根線和剩余三根線依次連接，連接后用手轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某兩根線連接后轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)比較費(fèi)勁，就說(shuō)明這兩根線是同一相。

②程序沒問題步進(jìn)電機(jī)就是不轉(zhuǎn)？

大概率是接線問題，確保A、B相區(qū)分正確，任意調(diào)換A相或者B相的兩根線，就可以了。

二、關(guān)鍵程序

/*
dir：旋轉(zhuǎn)方向    枚舉類型
speed：轉(zhuǎn)速
*/
//速度控制:
void stepper(unsigned int dir, unsigned int speed)
{
  if(dir == Pos)//正轉(zhuǎn)
  {
    //step1:
    IN1_HIGH;IN2_LOW;IN3_LOW;IN4_LOW;Delay(speed);
    
    //step2:  
    IN1_HIGH;IN2_LOW;IN3_HIGH;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step3:    
    IN1_LOW;IN2_LOW;IN3_HIGH;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step4:
    IN1_LOW;IN2_HIGH;IN3_HIGH;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step5:
    IN1_LOW;IN2_HIGH;IN3_LOW;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step6:
    IN1_LOW;IN2_HIGH;IN3_LOW;IN4_HIGH;Delay(speed);


    //step7:
    IN1_LOW;IN2_LOW;IN3_LOW;IN4_HIGH;Delay(speed);


    //step8:
    IN1_HIGH;IN2_LOW;IN3_LOW;IN4_HIGH;Delay(speed);
  }
??else??//反轉(zhuǎn)
  {
    //step1:
    IN1_HIGH;IN2_LOW;IN3_LOW;IN4_HIGH;Delay(speed);


    //step2:    
    IN1_LOW;IN2_LOW;IN3_LOW;IN4_HIGH;Delay(speed);


    //step3:    
    IN1_LOW;IN2_HIGH;IN3_LOW;IN4_HIGH;Delay(speed);


    //step4:
    IN1_LOW;IN2_HIGH;IN3_LOW;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step5:
    IN1_LOW;IN2_HIGH;IN3_HIGH;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step6:
    IN1_LOW;IN2_LOW;IN3_HIGH;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step7:
    IN1_HIGH;IN2_LOW;IN3_HIGH;IN4_LOW;Delay(speed);


    //step8:
    IN1_HIGH;IN2_LOW;IN3_LOW;IN4_LOW;Delay(speed);
  }
}


//按鍵程序：


unsigned char Key()
{
  unsigned char KeyNumber=0;
  
  if(P3_1==0){Delay(1000);while(P3_1==0);Delay(1000);KeyNumber=1;}
  if(P3_0==0){Delay(1000);while(P3_0==0);Delay(1000);KeyNumber=2;}
  if(P3_2==0){Delay(1000);while(P3_2==0);Delay(1000);KeyNumber=3;}
  if(P3_3==0){Delay(1000);while(P3_3==0);Delay(1000);KeyNumber=4;}
  
  return KeyNumber;
}


//主函數(shù)：實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)。
void main()
{
  
  while(1)
  {
    stepper(dir, speed);
    
    KeyNum=Key();
    
    if(KeyNum==1)//正反轉(zhuǎn)
    {
     dir = ~dir;
    }
    if(KeyNum==2)//加速
   {
     speed-=30;
     if(speed <= 50)speed = 50;
     i=speed;
   }
    if(KeyNum==3)//減速
   {
     speed+=30;
     if(speed >= 170)speed = 170;
     i=speed;
   }
    if(KeyNum==4)//啟停
    {
      flag=~flag;
      if(flag==0)speed=0;
      else speed=i;
    }
  }
}

以上是關(guān)鍵代碼，大家對(duì)應(yīng)八拍的電平狀態(tài)表看看是不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，現(xiàn)在就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)的控制。

審核編輯：黃飛