步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)方法

步進(jìn)電機(jī)每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角度輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。它的驅(qū)動(dòng)方式也比普通的有刷直流電機(jī)復(fù)雜。

本節(jié)我們就來講講步進(jìn)電機(jī)最基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)方式。

1)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

先簡單介紹一下主要的兩種步進(jìn)電機(jī)：單極性和雙極性。

如下圖所示，左邊是單極性電機(jī);右邊是雙極性電機(jī)。單極性電機(jī)線圈內(nèi)的電流只有一個(gè)方向，雙極性電機(jī)線圈內(nèi)的電流是雙向的：

而相數(shù)，則是內(nèi)部線圈的組數(shù);一般的步進(jìn)電機(jī)都可以看作是兩相電機(jī)變化而來的。

本文我們使用最簡單的五線四相制的電機(jī)(28BYJ-48)，驅(qū)動(dòng)方法也都是以它來講的，其他種類的大同小異。就是如下圖這種步進(jìn)電機(jī)，以及驅(qū)動(dòng)板：

它內(nèi)部的接線關(guān)系如下圖所示，正極是公共的，其他四個(gè)端口各對應(yīng)一組線圈的負(fù)極：

驅(qū)動(dòng)板的原理圖如下，就是一個(gè)nln2003的達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器(忽略右下角的燈，基本毫無用處⊙﹏⊙b汗)，IN1~IN4處輸入高電平，對應(yīng)的OUT1~OUT4會(huì)輸出低電平：

2)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法

最基本的方法有3種，單4拍法、雙4拍法、單雙8拍法。

a)單4拍法驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)過程如下圖所示，4個(gè)步驟一個(gè)周期，每個(gè)時(shí)刻只有一相通電：

先給A相通電，其他相斷電，則轉(zhuǎn)子的對應(yīng)極被吸引到A相處，如步驟1;

后續(xù)依次給B、C、D相通電，則轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到B、C、D處，如步驟2、3、4;

最后再給A相通電，其他相斷電，轉(zhuǎn)子又回到A處;周而復(fù)始，使得轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。

各相的導(dǎo)通過程如下圖所示：

這種方法每次都只有一相通電，所以稱為單4拍法。

b)雙4拍法驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)過程如下圖所示，也是4個(gè)步驟一個(gè)周期，不同的是每個(gè)時(shí)刻都有相鄰的兩相通電：

先給A相、B相通電，其他相斷電，則轉(zhuǎn)子的對應(yīng)極被吸引到A、B相中間處，如步驟1;

后續(xù)依次給BC、CD、DA相通電，如步驟2、3、4;

最后再給A、B相通電，其他相斷電，轉(zhuǎn)子又回到AB相之間;周而復(fù)始，使得轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。

雙4拍法每個(gè)時(shí)刻會(huì)有兩組線圈導(dǎo)通，所以電機(jī)的輸出力矩比單4拍法更大。

各相的導(dǎo)通過程如下圖所示：

c)單雙8拍法驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)過程如下圖所示，8個(gè)步驟一個(gè)周期：

這種方法類似于單4拍和雙4拍的組合。

先給A相通電，其他相斷電，轉(zhuǎn)子在A處;

再給A、B相通電，其他相斷電，則轉(zhuǎn)子來到AB之間;

然后給B相通電，其他相斷電，轉(zhuǎn)子來到B處;

再給B、C相通電，其他相斷電，轉(zhuǎn)子來到BC之間;

之后類似，一共8個(gè)步驟可以完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。

8拍法驅(qū)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置比4拍法多兩個(gè)中間態(tài)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的位置控制更加精確一些，但是由于它有時(shí)是一相通電，有時(shí)是兩相通電，所以在不同位置的力矩是不同的。

各相的導(dǎo)通過程如下圖所示：

3)使用stm32編程驅(qū)動(dòng)電機(jī)

先看連接方式，使用PA0、PA1、PA2、PA3驅(qū)動(dòng)A、B、C、D四相。PA0~3連接到驅(qū)動(dòng)板的IN1~IN4;驅(qū)動(dòng)板使用5V供電。

經(jīng)過上一節(jié)了解了上述三種驅(qū)動(dòng)方法后，就很容易寫出驅(qū)動(dòng)代碼了。

如下是單4拍驅(qū)動(dòng)的主要代碼：

定義兩個(gè)常量數(shù)組，F(xiàn)_Rotation存正向旋轉(zhuǎn)的各相導(dǎo)通值，B_Rotation存反向旋轉(zhuǎn)的值;

主循環(huán)中，每隔一個(gè)周期，去改變接通的相，4個(gè)拍一循環(huán)，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了。

雙四拍只要將定義的數(shù)組值更改一下就可以實(shí)現(xiàn)。

如下是8拍驅(qū)動(dòng)的代碼，原理是一樣的，就不多解釋了：

4)注意事項(xiàng)

對于確定的驅(qū)動(dòng)方式，步進(jìn)電機(jī)每拍轉(zhuǎn)過的角度是相同的，所以，如果想要改變轉(zhuǎn)速，只要改變每拍的延時(shí)就可以了，也就是改變周期。

但是要注意，不能超過電機(jī)參數(shù)要求，如我們使用的這個(gè)電機(jī)(28BYJ-48)的參數(shù)：

最大空載牽出頻率>900pps，最大空載牽入頻率>500pps。

也就是說空載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，最快的驅(qū)動(dòng)拍頻率最好不要超過900Hz;空載啟動(dòng)時(shí)，最快的驅(qū)動(dòng)拍頻率最好不要超過500Hz，因?yàn)閱?dòng)時(shí)初始轉(zhuǎn)速從零開始，驅(qū)動(dòng)拍太快的話會(huì)失步，可能無法轉(zhuǎn)動(dòng)起來。所以程序里也設(shè)計(jì)成了500Hz(2ms延時(shí))一拍。

一般情況下，系統(tǒng)最好設(shè)計(jì)成，啟動(dòng)時(shí)慢轉(zhuǎn)速，之后逐漸加快到需要的轉(zhuǎn)速。

好了，本節(jié)就講到這里了，有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的知識(shí)這里只是很基礎(chǔ)的一部分，后續(xù)有時(shí)間再一起深入學(xué)習(xí)。

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