【導讀】對于步進電機，每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步。其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉速與脈沖頻率成正比。因此，步進電動機又稱脈沖電動機。
1. 什么是步進電機？
步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。
對于步進電機，每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步。其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉速與脈沖頻率成正比。因此，步進電動機又稱脈沖電動機。
下面看一個簡單的雙極電機：
圖 1 雙極電機
雙極步進電機有四根電線和兩個線圈。要使其旋轉，需要通過線圈發(fā)送電流。每根電線都需要能夠被高低驅動。以下是如何驅動電流使步進電機旋轉。
圖 2 雙極步進電機
要理解為什么這樣做，請考慮一個只有四個步驟的簡單步進電機。在第一階段，它將磁體與第一線圈對齊。下一步將磁體旋轉90度。通過第一線圈反向發(fā)送電流會反轉磁體極性。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 步進電機轉動四個步驟
當然，大多數(shù)步進電機的步數(shù)超過4步。你的標準步進電機每轉200步。以這種方式旋轉電機稱為全步進。一旦你完成了全步工作，半步是非常簡單的。你可以同時通過兩個線圈發(fā)送電流，這將使分辨率加倍。
步進電機驅動器也可以使用微步進，微步進調節(jié)通過線圈的電流。典型的電機控制器可以在每一個完整的步驟中執(zhí)行16個微步驟。一些芯片負責調制電流，但較舊的芯片需要為其驅動的步進電機“調諧”。微步進進一步將整個步進劃分為256微步進，使典型的200步進電機變成51200步進電機！微步進還降低了電機的噪音，使其運行更平穩(wěn)、更高效。
圖 4 完整步驟1和2之間的半步
2. 如何控制線圈中的電流：
控制通過繞組的電流的最常見設置是使用所謂的H橋。它是一組四個晶體管，可以將每條導線拉高或拉低。你也可以用MOS管代替晶體管，但布線會有點不同。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
你必須確保同一側的兩個晶體管不能同時導通。這將通過提供從電源到接地的低電阻路徑使電路短路。你還應注意，晶體管可能需要一段時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 必須確保同一側的兩個晶體管不能同時導通
這仍然不是全貌。旋轉電機將產(chǎn)生電壓。為了保護晶體管，最好放置二極管。
圖 7 用于保護晶體管的二極管
這將防止電機產(chǎn)生高壓，這可能會破壞晶體管甚至驅動器。如果驅動步進電機的電壓高于MCU輸出的電壓，則需要添加另一個晶體管來控制PNP晶體管。
圖 8 使用另一個晶體管來控制PNP晶體管
當你打開額外的NPN晶體管時，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橋將控制通過其中一個繞組的電流。由于有兩個繞組，我們需要將這個電路加倍。
圖 10 雙H橋驅動步進電機
現(xiàn)在，你可以很好地計算所需的組件。使用雙H橋并不是驅動步進電機的唯一方法。你也可以購買步進電機驅動器，它將內置雙H橋（盡管驅動器通常使用MOS管和其他技巧）。如果你想減少BOM數(shù)量（有時獲得更多功能），我建議你看看步進電機驅動器。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。
3. 微步進：
圖 11 脈寬調制信號
微步進包括向晶體管發(fā)送脈寬調制信號。這是一種控制電機線圈電流的簡單方法。預先選擇的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PWM信號為高時，電流流過晶體管。當PWM信號低時，電流流過二極管。這是一個非常粗糙的微步進實現(xiàn)，但它給出了它如何工作的一般概念。使用MOS管的電機驅動器可以控制電機電流降低或衰減的速度。驅動器的電流波形更像這樣：
圖 12 流經(jīng)MOS管電機驅動器的電流
必須為其驅動的電機手動優(yōu)化快速衰減周期和慢速衰減周期。一些新芯片會根據(jù)其感應到的電流自動調整衰減周期，但舊芯片可能需要優(yōu)化（或調整）。
4. 步進電機驅動實例
介紹板子：
實例：使用控制板Arduino Mega控制步進電機驅動板TMC5130-EVAL來驅動步進電機。
圖 13 使用Arduino Mega控制步進電機驅動板TMC5130-EVAL
控制器：Arduino Mega 2560是一款基于ATmega2560的微控制器板。它有54個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中15個可以用作PWM輸出）、16個模擬輸入、4個UART（硬件串行端口）、一個16 MHz晶體振蕩器、一個USB連接、一個電源插座、一個ICSP頭和一個復位按鈕。它包含支持微控制器所需的一切；只需用USB電纜將其連接到計算機，或用交流到直流適配器或電池為其供電即可開始使用。
步進電機驅動板：TMC5130是一個完全集成的步進電機驅動器和控制器系統(tǒng)，允許從任何微控制器遠程控制步進電機。它在硬件上實現(xiàn)了所有實時關鍵任務。一旦配置，電機可以通過給出目標位置、命令歸航序列或給出目標速度來驅動。使用TMC5130的好處包括：易于使用，使用256微步的電機精度，低電機噪聲（無噪聲隱藏斬波器），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上的一個電阻從位置R3重新定位到R8。這將TMC5130的邏輯電平設置為+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 引腳對應的信號 （圖片來源于Trinamic）
引腳對應的信號。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)行簡單的移動到位置周期。它將根據(jù)步進電機的接線將200全步進電機向一個方向旋轉10轉，向另一個方向旋轉10轉。請使用TMC5130數(shù)據(jù)表或TMCL IDE作為不同寄存器的參考。
#include
#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(" ");
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 （關于代碼的問題，可以去Trinamic博客上了解更多）
總結：
希望這片文章，可以幫助您了解步進電機的工作原理以及如何驅動步進電機。同時驅動步進電機的技術已經(jīng)很成熟，善于利用現(xiàn)有的硬件和代碼，才能事半功倍。
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