单片机控制步进电机

作者: 禾灮 | 来源:发表于2018-07-05 02:35 被阅读0次

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步进电机是如何工作的

步进电机(stepping motor)

步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角），是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为"步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机又称为脉冲电机,基于最基本的电磁铁原理,它是一种可以自由回转的电磁铁,其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置,具有很好的数据控制特性,因此,计算机成为步进电机的理想驱动源,随着微电子和计算机技术的发展,软硬件结合的控制方式成为了主流,即通过程序产生控制脉冲,驱动硬件电路。单片机通过软件来控制步进电机,更好地挖掘出了电机的潜力。因此,用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势,也符合数字化的时代趋势。

步进电机和伺服电机、舵机有何区别？

伺服电机不仅仅只包含一个电机，通常是包含电机、传感器和控制器的电机系统（具体可以参考伺服电机/舵机控制）。
舵机是个俗称，适用于航模上，其实是一种低端的但最常见的伺服电机系统，价格低廉但精度较低。

单片机控制示例

51单片机按键控制单反转仿真

相信通过视频及文字内容，大家对步进电机相关原理已经非常熟悉。下面通过Arduino Pro MINI开发板进行一项简易的步进电机控制实验。

步进电机内部结构
步进电机(Stepper/Step/Stepping Motor)，主要是依靠定子线圈序列通电，顺次在不同的角度形成磁场，推拉定子旋转。接触步进电机时会有很多容易混淆的概念。比如单极性、双极性、两相八线、四相八线等等。主要是由于线圈的接法不同，我们先简单地辩析一下：按照电机驱动架构可分为单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 步进电机。所谓的极性，就是电流通过线圈绕组产生磁场的极性，单极性就是只有一个磁极，双极就是有两个磁极。四相，八相是指步进电机的相数，即步进电机内部的线圈组数。电机的相数不同，步进电机接收到每个脉冲信号的角度也不同。通过不同的极性，不同的相数，线圈接法会得到不同的电机性能。

实验前要准备的元件

28BYJ-48 五线四相步进电机
ULN2003驱动芯片
Arduino Pro MINI开发板
杜邦线若干

28BYJ-48，DC5V，五线四相步进电机

示例代码一：

    可以直接在Arduino IDE的File> Examples> Stepper> MotorKnob里直接导入示例代码。

Stepper.h是Arduino IDE自带的控制步进电机的标准库。

电路原理图（电位计10K即可）

实物连接示意图

/*
 * MotorKnob
 *
 * A stepper motor follows the turns of a potentiometer
 * (or other sensor) on analog input 0.
 *
 * http://www.arduino.cc/en/Reference/Stepper
 * This example code is in the public domain.
 */
#include <Stepper.h>
// change this to the number of steps on your motor
#define STEPS 100
// create an instance of the stepper class, specifying
// the number of steps of the motor and the pins it's
// attached to
Stepper stepper(STEPS, 8, 9, 10, 11);
// the previous reading from the analog input
int previous = 0;
void setup() {
  // set the speed of the motor to 30 RPMs
  stepper.setSpeed(30);
}
void loop() {
  // get the sensor value
  int val = analogRead(0);

  // move a number of steps equal to the change in the
  // sensor reading
  stepper.step(val - previous);

  // remember the previous value of the sensor
  previous = val;
}

Stepper函数是用来创建步进电机实例的，共有如下两种用法：
steps代表电机转一圈所用的步数。这个一般是步进电机出厂是就固定的。

也可以通过步距角计算得出：
转一圈的步数 = 360 / 步距角

        Stepper(steps, pin1, pin2)
        Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4)

pin1,pin2,pin3,pin4是连接至步进电机的引脚。
根据电机的引线数确定。pin3，pin4是可选的。

    setSpeed(rpms)函数是用来设置步进电机的速度，即每分钟该转的步数。

根据实例代码，当转动电位器，步进电机也会转动一定角度。

示例代码二：

调用大神写好的库当然可以节约大量的开发时间，不过懂得原理也是非常有必要的。下面通过五线四相步进电机来进行简单说明：

五线四相步进电机的工作方式

`四相步进电机可以在:`
    - 四相单拍   : 通电顺序为 A-B-C-D
    - 四相双拍1  : 通电顺序为 AB-BC-CD-DA
    - 四相双拍2  : 通电顺序为 AC-BC-BD-DA
    - 四相八拍   : 通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A
`四种工作方式下工作。`

下面依照8拍驱动方式编写相关代码：

/* Main.ino file 
 * by： 禾灮Studios
 * 
 * Created:   周三 6月 13 2018
 * Processor: Arduino Uno
 * Compiler:  Arduino AVR (Proteus)
 */
#define motor_pin_1 8       //A
#define motor_pin_2 9       //B
#define motor_pin_3 10      //C
#define motor_pin_4 11      //D
int shiJian =10;        //参数用于电机调速

 
void steps_to_move_N(){     //逆时针旋转 八拍方式驱动，顺序为A AB B BC C CD D DA
    //1000  
    digitalWrite(motor_pin_1, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian); 
    //1100  
    digitalWrite(motor_pin_1, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_2, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    // 0100  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    // 0110  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_3, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    //0010  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    //0011  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_4, HIGH);
    delay(shiJian);
    //0001  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, HIGH);
    delay(shiJian);
    //1001  
    digitalWrite(motor_pin_1, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, HIGH);
    delay(shiJian);
}
void steps_to_move_Z(){
    //1001  
    digitalWrite(motor_pin_1, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, HIGH);
    delay(shiJian);
    //0001  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, HIGH);
    delay(shiJian);
    //0011  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_4, HIGH);
    delay(shiJian);
    //0010  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    // 0110  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_3, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    // 0100  
    digitalWrite(motor_pin_1, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_2, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    //1100  
    digitalWrite(motor_pin_1, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_2, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian);
    //1000  
    digitalWrite(motor_pin_1, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_2, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_3, LOW);
    digitalWrite(motor_pin_4, LOW);
    delay(shiJian); 
}

void setup(){  //初始化
    // put your setup code here, to run once:
    // setup the pins on the microcontroller:
    pinMode(motor_pin_1, OUTPUT);
    pinMode(motor_pin_2, OUTPUT);
    pinMode(motor_pin_3, OUTPUT);
    pinMode(motor_pin_4, OUTPUT);

    digitalWrite(motor_pin_1, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_2, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_3, HIGH);
    digitalWrite(motor_pin_4, HIGH); 
}
void loop(){   // put your main code here, to run repeatedly:
    steps_to_move_Z();
    // steps_to_move_N();
}

示例代码三：

下面的代码适用于Arduino系列，以及AVR单片机编程，修改后可直接用于其他单片机。
本段代码是对示例代码二中函数的简化表述方式。

/* Main.ino file 
 * by： 禾灮Studios
 * 
 * Created:   周三 6月 13 2018
 * Processor: Arduino Uno
 * Compiler:  Arduino AVR (Proteus)
 */
#define motor_pin_1 8       //A
#define motor_pin_2 9       //B
#define motor_pin_3 10      //C
#define motor_pin_4 11      //D
int shiJian =10;        //参数用于电机调速   
//定义八拍方式驱动，顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA
unsigned char clockWise[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x0d}; 

    void zzz(){    //顺时针旋转
      for(int i=0;i<8;i++){
        PORTB = clockWise[i];
        delay(shiJian);
      }
    }
    void fff(){     //逆时针旋转
      for(int i=0;i<8;i++){
        PORTB = clockWise[8-i];
        delay(shiJian);
      } 
    }

void setup(){  //初始化
    // put your setup code here, to run once:
    // setup the pins on the microcontroller:
    DDRB=0xFF;    //端口B设置为输出
    PORTB=0xFF;   //端口B初始值设置为1
}
void loop(){   // put your main code here, to run repeatedly:
    zzz();       
    fff();
}

实物连接

以上内容就是控制步进电机的几种简易方法，各有优缺点大家根据自己的喜好和需要进行选择。不足之处还请大家批评指正。

    感谢一直关注着禾灮成长进步的朋友们。你们的信任、支持和鼓励，鞭策着我们一路走到了今天。
    
    感谢所有的合作伙伴，我们相互促进，共同见证了彼此的成长。

    感谢所有曾经在禾灮彼此倚靠、相互鼓励、携手同心、砥砺同行的兄弟姐妹。这里承载了我们的青春与热血。

                禾灮，感谢有你。

    未来，我们将一如既往，砥砺前行。

                                        禾灮·小楊
                                       2018.07.05

单片机控制步进电机

开始浏览正文之前，请大家先花几分钟看完这段视频：

步进电机(stepping motor)

步进电机和伺服电机、舵机有何区别？

单片机控制示例

示例代码一：

示例代码二：

五线四相步进电机的工作方式

下面依照8拍驱动方式编写相关代码：

示例代码三：

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