Arduino篇—步進電機的控制

課程目標

• 了解步進電機的原理及應用
• 學習步進電機的控制方式
• 了解步進電機的不同勵磁方式

相關知識

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。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成正比，轉速與脈沖頻率成正比。簡單來說當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。

步進電機原理： 利用電磁鐵原理，各個線圈繞組通電，利用電生磁原理，產生磁力，帶動中央轉子鐵芯轉動從而將脈沖信號轉換成線位移或角位移。

步進電機介紹：

• 步進電機每次能轉動的最小角度叫做步距角。
• 每當步進電機接收到一個驅動信號后，步進電機將按照一定的方向轉動一個固定的角度。
• 通過控制脈沖的個數來精確的控制步進電機的角位移量，通過控制脈沖的頻率來控制電機轉動的速度及加速度，從而達到調速的目的。
• 步進電機按照相數不同分為單相、雙相、多相三種，勵磁方式分為全步勵磁和半步勵磁，全步勵磁分1相勵磁方式、2相勵磁方式；半步勵磁又稱1-2相勵磁方式。
  

**ULN2003電機驅動：**由于Arduino開發板的通用IO驅動能力有限，有些外設不能直接使用IO進行驅動，需要借助一些驅動電路間接控制大功率器件。ULN2003是大電流驅動陣列，多用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中，可直接驅動繼電器等負載。

電路搭建

所需材料：

ArduinoUNO * 1
28BYJ-48步進電機 * 1
ULN2003電機驅動模塊 * 1
杜邦線若干

電路連接：

ULN2003驅動板上IN1、IN2、IN3、IN4分別連接UNO開發板的數字引腳2，3，4，5；驅動板電源輸入+、-引腳分別連接UNO開發板的5V、GND。

程序編寫

練習一：一相勵磁方式****控制步進電機正轉90°再反轉90°

一相勵磁控制方式及特點： 在每一個瞬間，步進電機只有一個線圈導通，每送一個信號，步進電機能轉1.8°。這種方式，其精確度好、消耗電力小，但是輸出轉矩最小，振動較大。

一相****勵磁順序表：

圖形化方式：

代碼方式：

/* 項目名稱:一相勵磁控制步進電機正反轉90°
 * 項目時間:2022.03.21
 * 項目作者:MRX
 */
void setup() {
  for (int i = 2; i < 6; i++) {
    pinMode(i, OUTPUT);
  }
}


void clockwise(int num)
{
  for (int count = 0; count < num; count++)
  {
    for (int i = 2; i < 6; i++)
    {
      digitalWrite(i, HIGH);
      delay(5);
      digitalWrite(i, LOW);
    }
  }
}


void anticlockwise(int num)
{
  for (int count = 0; count < num; count++)
  {
    for (int i = 5; i > 1; i--)
    {
      digitalWrite(i, HIGH);
      delay(5);
      digitalWrite(i, LOW);
    }
  }
}


void loop() {
  clockwise(130);
  delay(1000);
  anticlockwise(130);
  delay(1000);
}

練習二：二相勵磁方式控制步進電機正轉90°再反轉90°****

二相勵磁控制方式及特點： 在每一個瞬間，步進電機有兩個線圈導通，每送一個信號，步進電機能轉1.8°。這種方式，其輸出轉矩最大，振動較小。是現在較常用的一種控制方式。

二相勵磁順序表：

圖形化方式：

代碼方式：

/* 項目名稱:二相勵磁控制步進電機正反轉90°
 * 項目時間:2022.03.21
 * 項目作者:MRX
 */
void setup() {
  for (int i = 2; i < 6; i++) {
    pinMode(i, OUTPUT);
  }
}


void clockwise(int num)
{
  for (int count = 0; count < num; count++)
  {
    digitalWrite(2,HIGH);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(5,HIGH);
    delay(5);
    digitalWrite(2,HIGH);
    digitalWrite(3,HIGH);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(5,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,HIGH);
    digitalWrite(4,HIGH);
    digitalWrite(5,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(4,HIGH);
    digitalWrite(5,HIGH);
    delay(5);
  }
}


void anticlockwise(int num)
{
  for (int count = 0; count < num; count++)
  {
    digitalWrite(2,HIGH);
    digitalWrite(5,LOW);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(3,HIGH);
    delay(5);
    digitalWrite(2,HIGH);
    digitalWrite(5,HIGH);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(3,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(5,HIGH);
    digitalWrite(4,HIGH);
    digitalWrite(3,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(5,LOW);
    digitalWrite(4,HIGH);
    digitalWrite(3,HIGH);
    delay(5);
  }
}


void loop() {
  clockwise(130);
  delay(1000);
  anticlockwise(130);
  delay(1000);
}

練習三：一二相勵磁方式控制步進電機正****

一二相勵磁控制方式及特點： 為一相和二相交替導通的方式，每送一個信號，步進電機能轉0.9°。這種方式，其分辨率高，運轉平滑。也是現在較常用的一種控制方式。

二相勵磁順序表：

圖形化方式：

代碼方式：

/* 項目名稱:1-2相勵磁控制步進電機正轉
 * 項目時間:2022.03.21
 * 項目作者:MRX
 */
void setup() {
  for (int i = 2; i < 6; i++) {
    pinMode(i, OUTPUT);
  }
}


void S1()
{
    digitalWrite(2,HIGH);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(5,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,HIGH);
    digitalWrite(3,HIGH);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(5,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,HIGH);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(5,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,HIGH);
    digitalWrite(4,HIGH);
    digitalWrite(5,LOW);
    delay(5);
}


void S2()
 {
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(4,HIGH);
    digitalWrite(5,LOW);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(4,HIGH);
    digitalWrite(5,HIGH);
    delay(5);
    digitalWrite(2,LOW);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(5,HIGH);
    delay(5);
    digitalWrite(2,HIGH);
    digitalWrite(3,LOW);
    digitalWrite(4,LOW);
    digitalWrite(5,HIGH);
    delay(5);
}


void loop() {
  for (int i = 1; i <= 130; i++) 
  {
    S1();
    S2();
  }
  delay(1000);
}

程序分析：

需求為旋轉90°，在程序中循環次數為什么是130次呢？這是根據我們使用的步進電機參數計算而來的：

1、步進電機電壓5V，步距角5.625，減速比1：64。

2、計算A-B-C-D通電一次轉動的角度5.625X2X4/64=0.703125 (2是表示1相勵磁方 式每步是2倍的步距角，4表示走了4步， 64指電機減速比)。

3、轉動360度循環ABCD通電的次數360/0.7031=512。

4、那么轉動90度循環ABCD通電的次數90/0.7031≈130。