步进电机原理及驱动

步进电机的驱动

stm32为例,使用ULN2003,TB6600电机驱动板,介绍步进电机的常用驱动方式。

步进电机

我使用的是一个教学用的小步进电机,驱动电压只有5V,所有的步进电机驱动原理都是类似的,电机详情如图

步进电机原理及驱动_第1张图片

产品参数
直径 28mm
电压 5V
步进角度 1/64

该模块为5线4相步进电机,可以使用普通的uln2003芯片驱动。

  • 驱动要求:能够提供较快的电流上升和下降速度,使电流波形经量接近矩形。提供具有戒指期间释放电流流通的贿赂,以前降低绕组两端的反电动势,加快电流衰减。具有较高的功率及效率,步进电机的转速与脉冲信号的频率姐可以对单机进行调速。
内部结构图

步进电机原理及驱动_第2张图片

四拍驱动方式

步进电机原理及驱动_第3张图片
在四线驱动方式中,每次仅有一个线圈通电,对磁铁具有吸引作用,从而使电机进行转动,每次转动一个相位。改变脉冲方向,才可以正常运转。

八拍驱动方式

步进电机原理及驱动_第4张图片

再八相驱动方式中,实现了更精细的角度控制,适用于高精度场合。

ULN2003

步进电机要加驱动才可以正常运转,其需要较大的驱动电流,单片机的引脚无法输出电流无法满足其需求,故需要ULN2003驱动芯片来驱动电机。

接线方式如图:

步进电机原理及驱动_第5张图片

程序设计

step_motor.h
#ifndef __STEP_MOTOR_H
#define __STEP_MOTOR_H	 
#include "sys.h"
#include "delay.h"

extern u8 STEP; //定义单步计数 全局变量

#define STEP_MOTOR_PORT	GPIOB	//定义IO接口所在组
#define STEP_MOTOR_A	GPIO_Pin_3	//定义IO接口
#define STEP_MOTOR_B	GPIO_Pin_4	//定义IO接口
#define STEP_MOTOR_C	GPIO_Pin_8	//定义IO接口
#define STEP_MOTOR_D	GPIO_Pin_9	//定义IO接口

void STEP_MOTOR_Init(void);//初始化
void STEP_MOTOR_OFF (void);//断电状态
void STEP_MOTOR_8A (u8 a,u16 speed);
void STEP_MOTOR_NUM (u8 RL,u16 num,u8 speed);//电机按步数运行
void STEP_MOTOR_LOOP (u8 RL,u8 LOOP,u8 speed);//电机按圈数运行

#endif

这里使用了GPIOB的几个IO口作为电机的驱动接口,当然你可以根据自己的需要修改。要特殊说明的是断电状态函数是由于步进电机在停止转动时,如果线圈还在通电,会照成电机发热甚至损坏,故在每次转动后都要将电机处于断电状态。来保护电机。

step_motor.c
#include "step_motor.h"

u8 STEP; 


void STEP_MOTOR_Init(void){ //接口初始化
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_GPIOD | RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE); //APB2外设GPIO时钟使能      
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);//启动AFIO重映射功能时钟    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_B | STEP_MOTOR_C | STEP_MOTOR_D; //选择端口                        
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //选择IO接口工作方式       
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //设置IO接口速度(2/10/50MHz)    
	GPIO_Init(STEP_MOTOR_PORT, &GPIO_InitStructure);
	//必须将禁用JTAG功能才能做GPIO使用
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_Disable, ENABLE);// 改变指定管脚的映射,完全禁用JTAG+SW-DP	
	STEP_MOTOR_OFF(); //初始状态是断电状态 			
}

void STEP_MOTOR_OFF (void){//电机断电
	GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_B | STEP_MOTOR_C | STEP_MOTOR_D);//各接口置0
}

void STEP_MOTOR_8A (u8 a,u16 speed){//电机单步8拍
	switch (a){
		case 0:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_B | STEP_MOTOR_C | STEP_MOTOR_D);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A);//1
			break;
		case 1:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_C | STEP_MOTOR_D);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_B);//1
			break;
		case 2:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_C | STEP_MOTOR_D);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_B);//1
			break;
		case 3:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_D);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_B | STEP_MOTOR_C);//1
			break;
		case 4:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_B | STEP_MOTOR_D);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_C);//1
			break;
		case 5:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_B);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_C | STEP_MOTOR_D);//1
			break;
		case 6:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_B | STEP_MOTOR_C);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_D);//1
			break;
		case 7:
		GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_B | STEP_MOTOR_C);//0
		GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_PORT,STEP_MOTOR_A | STEP_MOTOR_D);//1
			break;
		default:
			break;
	}
	delay_ms(speed); //延时
	STEP_MOTOR_OFF(); //进入断电状态,防电机过热
}

void STEP_MOTOR_NUM (u8 RL,u16 num,u8 speed){//电机按步数运行
	u16 i;
	for(i=0;i7)STEP=0;
		}else{
			if(STEP==0)STEP=8;
			STEP--;
		}
		STEP_MOTOR_8A(STEP,speed);
	}
}

void STEP_MOTOR_LOOP (u8 RL,u8 LOOP,u8 speed){//电机按圈数运行
	STEP_MOTOR_NUM(RL,LOOP*4076,speed); 
}

该驱动方式采用的是八拍的驱动方式,根据所在的拍数决定引脚的电平变化,电机按步数运行则是每步执行一个节拍,根据节拍的顺序07或70来对电机进行转动方向的控制,用每个节拍的间隔时间来对电机的转动速度进行控制,间隔越短电机速度越快,扭矩也就越小。

按圈数运行,这里值得说明的是,步进电机每旋转一个完整的周期(8拍)并使是转轴旋转了一圈,电机内部是由减速齿轮的,所以一个周期并不是一圈,这之间有一个转换关系,不同的电机比例系数不同,这里也可以通过调节系数,来对电机进行旋转角度的控制。

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