步進電機如何讓動起來？步進電機轉動原理

一、實驗原理

之前已經講過了基于51單片機——步進電機控制實驗，原理和那個類似。

先簡單介紹一下42步進電機，42步進電機是一種常見的步進電機類型，是一種將電脈沖信號轉換為機械轉動的設備，42步進電機通常由兩相或四相驅動，每相都有一個線圈，今天咱們介紹的是兩相四線步進電機，通過依次激活不同的線圈，可以使電機按照一定的步進角度旋轉。42步進電機廣泛應用于各種自動化設備和機械系統中，例如打印機、數控機床、紡織機械等。它具有結構簡單、控制方便、定位精度高等優點。

下圖是關于步進電機的基本參數介紹：

需要注意的是電機兩相繞組是怎么繞的，A+、A-、B+、B-四根線代表的是什么意思，還有關鍵參數步距角：1.8°和額定電流1.0A。

1、步進電機的構造，拆開之后如圖所示：

42步進電機的步距角為1.8°，是由定子和轉子的齒數共同決定的，定子有48齒，轉子有50齒，具體是怎么算的，感興趣的同學可以自行學習，今天的重點是讓步進電機如何讓動起來。

2、步進電機轉動原理：下圖為步進電機定子和轉子的簡化圖：

定子分為8組，每六個齒為一組，一共48個，轉子有50個齒，其中1、3、5、7號繞組是一條線，2、4、6、8號繞組是另一條線，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。通過特定的繞線方式實現在同一相中，相對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，步進電機的發明者就是這樣設計的，目前我們能學會它的構造和原理，會使用就行，至于為什么這樣，等咱們的水平到位了再研究吧。）步進電機的動力是磁力，同性相排斥，異性相吸引，現在我們從位置“1”順時針轉動，講解控制方法。

①想要讓1位置的定子繞組齒和轉子齒對齊，需要讓1位置繞組靠近轉子的一端磁極為N極，這樣才能吸引轉子轉到這個位置，根據“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2位置的定子繞組齒和轉子齒之間的角度為1.8°，想要讓他們對齊，需要給B+高電平，B-低電平，A+和A-均為低電平，這樣他們也對齊了，轉子便順時針轉了1.8°。

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

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

⑤此時5位置的定子繞組齒和轉子齒之間的角度為1.8°，想要讓他們對齊，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位置時一樣，開始循環1到4。

列一個表把上述位置對應的電平狀態表示出來：

上述方式是四拍的驅動方式，也是整步驅動，步進電機每次轉動都是一個步距角1.8°，如果想實現更小角度的步進，可以用八拍的方式驅動，也是半步驅動，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，這樣步進電機每轉一小步是0.9°。舉個例子，比如想要讓轉子轉到1位置和2位置之間，可以讓A+和B+定子繞組都吸引轉子，二力平衡后，轉子就運動到了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，八拍驅動對應的電平狀態表示出來：

按照上表中從上到下一次運行暫且叫為正轉，那么從下往上就是反轉了，這樣步進電機轉向的問題就解決了。

那么如何控制速度呢，當轉子轉到1位置時，我們讓他延時一段時間再到下一個位置，這樣就可以控制速度了，延時的時間越長，速度就越慢，延時的時間越短速度就越快，當然時間也不是隨意的，要根據步進電機特性，找一個范圍，這樣步進電機轉速的問題就解決了。

到這里步進電機的驅動原理差不多就結束了，對應原理把程序寫出來就可以了。

3、步進電機驅動板（L298N）

本次實驗使用的驅動板是L298N，這款驅動板小巧簡單，實驗演示用足夠了，下面是它的基本參數：（注意供電電壓在要求范圍內）

4、實驗過程中可能會出現的問題：

①如何區分A+、A-、B+、B-？

方法1：我們在購買步進電機時可以問一下店家，一般紅色的線是A+，藍色A-，綠色B+，黑色B-；也有可能是反過來，一般都是綠色和黑色是A相，紅色和藍色是B相。

方法2：?因為A相和B相分別是一條導線繞出來的，所以可以使用萬用表歐姆檔來測量電阻，同一相的阻值很小，只有幾歐姆，不是同一相的阻值無限大，測出來同一相后，至于是A+還是A-那是人為規定的。

方法3：拿任意一根線和剩余三根線依次連接，連接后用手轉動步進電機，當發現某兩根線連接后轉動步進電機時比較費勁，就說明這兩根線是同一相。

②程序沒問題步進電機就是不轉？

大概率是接線問題，確保A、B相區分正確，任意調換A相或者B相的兩根線，就可以了。

二、關鍵程序

/*
dir：旋轉方向    枚舉類型
speed：轉速
*/
//速度控制:
void stepper(unsigned int dir, unsigned int speed)
{
  if(dir == Pos)//正轉
  {
    //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
  {
    //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：實現步進電機啟停、加減速、正反轉。
void main()
{
  
  while(1)
  {
    stepper(dir, speed);
    
    KeyNum=Key();
    
    if(KeyNum==1)//正反轉
    {
     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;
    }
  }
}

以上是關鍵代碼，大家對應八拍的電平狀態表看看是不是一一對應的關系，現在就可以實現對步進電機的啟停、加減速、正反轉的控制。

審核編輯：黃飛