步進(jìn)電機(jī)工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

更新時(shí)間：2023-08-02

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什么是步進(jìn)電機(jī)？

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。

下面看一個(gè)簡(jiǎn)單的雙極電機(jī)：

圖 1. 雙極電機(jī)

雙極步進(jìn)電機(jī)有四根電線和兩個(gè)線圈。要使其旋轉(zhuǎn)，需要通過線圈發(fā)送電流。每根電線都需要能夠被高低驅(qū)動(dòng)。以下是如何驅(qū)動(dòng)電流使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖 2. 雙極步進(jìn)電機(jī)

要理解為什么這樣做，請(qǐng)考慮一個(gè)只有四個(gè)步驟的簡(jiǎn)單步進(jìn)電機(jī)。在第一階段，它將磁體與第一線圈對(duì)齊。下一步將磁體旋轉(zhuǎn)90度。通過第一線圈反向發(fā)送電流會(huì)反轉(zhuǎn)磁體極性。相反的線圈被連接，但相對(duì)于中心磁體產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)。

圖 3. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)步驟

當(dāng)然，大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)超過4步。你的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)200步。以這種方式旋轉(zhuǎn)電機(jī)稱為全步進(jìn)。一旦你完成了全步工作，半步是非常簡(jiǎn)單的。你可以同時(shí)通過兩個(gè)線圈發(fā)送電流，這將使分辨率加倍。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也可以使用微步進(jìn)，微步進(jìn)調(diào)節(jié)通過線圈的電流。典型的電機(jī)控制器可以在每一個(gè)完整的步驟中執(zhí)行16個(gè)微步驟。一些芯片負(fù)責(zé)調(diào)制電流，但較舊的芯片需要為其驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)“調(diào)諧"。微步進(jìn)進(jìn)一步將整個(gè)步進(jìn)劃分為256微步進(jìn)，使典型的200步進(jìn)電機(jī)變成51200步進(jìn)電機(jī)！微步進(jìn)還降低了電機(jī)的噪音，使其運(yùn)行更平穩(wěn)、更高效。

圖 4. 完整步驟1和2之間的半步

如何控制線圈中的電流

控制通過繞組的電流的最常見設(shè)置是使用所謂的H橋。它是一組四個(gè)晶體管，可以將每條導(dǎo)線拉高或拉低。你也可以用MOS管代替晶體管，但布線會(huì)有點(diǎn)不同。該圖顯示了如何通過H橋向任意方向發(fā)送電流。你只需要打開路徑中的晶體管。

圖5. 線圈中的電流方向

你必須確保同一側(cè)的兩個(gè)晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通。這將通過提供從電源到接地的低電阻路徑使電路短路。你還應(yīng)注意，晶體管可能需要一段時(shí)間才能從接通切換到斷開。除非你知道自己在做什么，否則不建議快速切換通過線圈的電流。

圖 6 . 必須確保同一側(cè)的兩個(gè)晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通

這仍然不是全貌。旋轉(zhuǎn)電機(jī)將產(chǎn)生電壓。為了保護(hù)晶體管，最好放置二極管。

圖7. 用于保護(hù)晶體管的二極管

這將防止電機(jī)產(chǎn)生高壓，這可能會(huì)破壞晶體管甚至驅(qū)動(dòng)器。如果驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電壓高于MCU輸出的電壓，則需要添加另一個(gè)晶體管來控制PNP晶體管。

圖8. 使用另一個(gè)晶體管來控制PNP晶體管

當(dāng)你打開額外的NPN晶體管時(shí)，它將允許電流從PNP晶體管的基極（引腳1）流出，從而打開它?，F(xiàn)在所需要的只是所有NPN晶體管基極上的限流電阻。

圖 9. NPN晶體管基極加上的限流電阻

就是這樣！該H橋?qū)⒖刂仆ㄟ^其中一個(gè)繞組的電流。由于有兩個(gè)繞組，我們需要將這個(gè)電路加倍。

圖10. 雙H橋驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

現(xiàn)在，你可以很好地計(jì)算所需的組件。使用雙H橋并不是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法。你也可以購買步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它將內(nèi)置雙H橋（盡管驅(qū)動(dòng)器通常使用MOS管和其他技巧）。如果你想減少BOM數(shù)量（有時(shí)獲得更多功能），我建議你看看步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。你需要查看數(shù)據(jù)表以了解芯片提供的功能。一些芯片只提供晶體管和二極管，而其他芯片則控制通過線圈的電流。

控制器：Arduino Mega 2560是一款基于ATmega2560的微控制器板。它有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中15個(gè)可以用作PWM輸出）、16個(gè)模擬輸入、4個(gè)UART（硬件串行端口）、一個(gè)16 MHz晶體振蕩器、一個(gè)USB連接、一個(gè)電源插座、一個(gè)ICSP頭和一個(gè)復(fù)位按鈕。它包含支持微控制器所需的一切；只需用USB電纜將其連接到計(jì)算機(jī)，或用交流到直流適配器或電池為其供電即可開始使用。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板：TMC5130是一個(gè)集成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器系統(tǒng)，允許從任何微控制器遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)。它在硬件上實(shí)現(xiàn)了所有實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)。一旦配置，電機(jī)可以通過給出目標(biāo)位置、命令歸航序列或給出目標(biāo)速度來驅(qū)動(dòng)。使用TMC5130的好處包括：易于使用，使用256微步的電機(jī)精度，低電機(jī)噪聲（無噪聲隱藏?cái)夭ㄆ鳎?，無傳感器失速檢測(cè)（stallGuard2），無階躍損耗，dcStep和coolStep、UART或SPI控制接口的高效率，高電壓范圍，小形狀因數(shù)，以及低部件數(shù)量。

1. 確保Arduino Mega與TMC5130-EVAL有電壓匹配

如果Arduino是5V控制板，則必須將TMC5130-EVAL上的一個(gè)電阻從位置R3重新定位到R8。這將TMC5130的邏輯電平設(shè)置為+5V。

2. 連線