本教程介紹步進電機驅(qū)動和細分的工作原理,以及stm32103為主控芯片制作的一套自平衡的兩輪車系統(tǒng),附帶原理圖PCB圖和源代碼,有興趣的同學(xué)一起來吧.本系統(tǒng)還有一些小問題,不當之處希望得到大家的指正.

1混合式步進電機的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理

電機原理這部分不想講的太復(fù)雜了，拆開一臺電機看看就明白了。

電機的轉(zhuǎn)子是一個永磁體， 它的上面有若干個磁極SN組成，這些磁極固定的擺放成一定角度。電機的定子是幾個串聯(lián)的線圈構(gòu)成的磁體。 出線一般是四條線標記為A+，A-，B+，B-。A相與B相是不通的，用萬用表很容易區(qū)分出來，至于各相的+-出線實際是不用考慮的，任意一相正負對調(diào)電機將反轉(zhuǎn)。另外一種出線是六條線的只是在A相和B相的中間點做兩條引出線別的沒什么差別，六出線的電機通過中間出線到A+或A-的電流來模擬正向或負向的電流，可以在沒有負相電流控制的電路中實現(xiàn)電機驅(qū)動，從而簡化驅(qū)動電路，但是這種做法任意時刻只有半相有電流，對電機的力矩是有損失的。步進電機的轉(zhuǎn)動也是電磁極與永磁極作用力的結(jié)果，只不過電磁極的極性是由驅(qū)動電路控制實現(xiàn)的。

我們做這樣的一個實驗就可以讓步進電機轉(zhuǎn)動起來。1找一節(jié)電池正負隨意接入到A相兩端;然后斷開;(記為A正向)2再將電池接入到B相兩端; 然后斷開;(記為B正向)3電池正負對調(diào)再次接入A相; 然后斷開;(記為A負向)4保持正負對調(diào)接入B相;然后斷開;(記為B負向)…如此循環(huán)你會看到步進電機在緩慢轉(zhuǎn)動。注意電機的相電阻是很小的接通時近乎短路。我們將相電流的方向記錄下來應(yīng)該為:A+B+A-B-A+…，如果我們更換接線順序使得相電流順序為A+B-A-B+A+…這時我們會看到電機向反方向運動。這里每切換一次相電流電機都會轉(zhuǎn)動一個很小的角度，這個角度就是電機的步距角。步距角是步進電機的一個固有參數(shù)， 一般兩相電機步距角為1.8度即切換200次可以讓電機轉(zhuǎn)動一圈。這里我們比較正反轉(zhuǎn)的電流順序可以看出A+和A-;B+和B-的交換后的順序和正反順序是一致的，也就是前面所說的”任意一相正負對調(diào)電機將反轉(zhuǎn)”。以上為四排工作方式，為了使相電流更加平滑另外可以使用八排的工作方式即: A+;A+B+;B+;B+A-;A-;A-B-;B-;B-A+;從前往后循環(huán)正轉(zhuǎn)，從后往前循環(huán)反轉(zhuǎn)。

為了用單片機實現(xiàn)相電流的正負流向控制必須要有一個H橋的驅(qū)動電路，這種帶H橋的驅(qū)動模塊還是很多的，比較便宜的是晶體管H橋比如L298N，晶體管開關(guān)速度比較慢，無法驅(qū)動電機高速運動。有些模塊將細分控制電路也包含在內(nèi)，我們也不用這種，因為我們的細分由軟件控制。實際應(yīng)用中使用ST的mos管兩橋驅(qū)動芯片L6205一片即可驅(qū)動一臺步進電機。有了H橋通過PWM就可以控制相電流大小，改變輸入極IN1、IN2的狀態(tài)(參看手冊第8頁)可以控制相電流的方向。

2細分的原理和輸出控制

從這里開始重點了，別的地方看不到哦。

藍色線時A相電流，紅色線是B相電流。如果把A相正負極值視為A+A-，B相正負極值視為B+B-，比較一下四拍方式正轉(zhuǎn)A+B+A-B-和反轉(zhuǎn)A+B-A-B+不難看出四排方式實際上是用一個脈沖來代替一個正弦半周期，相位點從左到右變化則電機正轉(zhuǎn)，從右到左電機反轉(zhuǎn)。類似的我們把八拍方式A+;A+B+;B+;B+A-;A-;A-B-;B-;B-A+;放到曲線里也可以找到對應(yīng)點，圖中標出了各拍的相位點1，2，3…，不難看出用A+B+代替第2拍點用B+A-代替第四拍點都是近似的做法。那么這種近似和理想情況的電流的差值去哪里了呢?這些電流被無謂的消耗掉了而且多余的電流會引起電機轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)。為什么要細分呢?實際細分的終極目標就是在正弦的周期中插入若干個點使得相電流接近正弦變化，細分可以提高定位精度和電機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

由此我們拋開細分不談，如果你能調(diào)制出兩條相差為90度的正弦波形就是理想的步進電機驅(qū)動器了，調(diào)制出的正弦波形的頻率就是步進電機的轉(zhuǎn)速，正弦的幅值就是步進電機的轉(zhuǎn)矩。這個聽起來貌似不難啊，但是你不要忘了調(diào)制出的正弦是有要求的。第一要有一定的驅(qū)動能力步進電機的功率越大驅(qū)動能力要求也越大。第二要能夠保持90度的相差前提下改變正弦的頻率，這樣才能夠驅(qū)動電機按不同的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，步進電機的旋轉(zhuǎn)方向?qū)嶋H上是兩條正弦波的相位點順序。第三最好能夠調(diào)幅，調(diào)整幅值能夠?qū)崿F(xiàn)電機的恒力矩輸出，調(diào)幅的實際意義還不止這些后面再講。總之一句話就是通過pwm調(diào)制輸出可以調(diào)頻調(diào)幅的兩路固定相差的正弦波。(如果是三相步進電機應(yīng)該是相差各位120度的三路正弦波，原理是一樣的。)

上面那個圖和兩相步進電機驅(qū)動的關(guān)系可能有些疑惑"真的是這樣的嗎?",我們在這里再安排一個試驗。我們知道電動機和發(fā)電機是兩個可逆的過程，因此我們可以用步進電機來當發(fā)電機。很簡單的實驗，我們把步進電機的兩相引線接到雙蹤示波器輸入上，然后找個電機帶著轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)(我是用一個手電鉆夾住電機的轉(zhuǎn)軸，我的這個手鉆是可以正反轉(zhuǎn)的)。保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，你會在示波器上看到上面那個圖：即兩路相差固定的完美的正弦波，當轉(zhuǎn)速增大時幅值和頻率都有變化(線性關(guān)系)，并且正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時兩路正弦相位位置不同，如果你能夠確定轉(zhuǎn)速的話你還可以驗證以下周期、轉(zhuǎn)速、步距角之間的關(guān)系。

步進電機的驅(qū)動要比逆變器、伺服電機驅(qū)動復(fù)雜的地方在于需要大范圍的變頻，如果能做好這個步進電機的驅(qū)動器其它那兩個就不成問題了，至少在波形調(diào)制上絕對沒問題了，它們的基本原理是通的。

下面我們展開正弦調(diào)制的討論，這部分是核心的部分將占很大的篇幅，你放心我絕對不會羅列一大堆的數(shù)學(xué)式在教程里，不然怎么能叫超級無敵呢?教程超級無敵，這個stm32實現(xiàn)的驅(qū)動程序也是超級無敵的(吼吼)。但是“載波比、spwm、死區(qū)、單雙極性”這幾個詞如果你覺得很陌生的話建議你還是要看看電力電子課程的相關(guān)章節(jié)基本概念還是要有的。

3spwm運算和輸出

Spwm的產(chǎn)生可以分為軟件方法和硬件方法，硬件方法通過硬件產(chǎn)生一路三角波一路正弦波，經(jīng)過一個比較器比較正弦波幅值與三角波幅值的關(guān)系即可得到spwm波。這種方法也應(yīng)用于很多spwm集成芯片。硬件方法在波形產(chǎn)生上不需要軟件參與，并且調(diào)頻和調(diào)幅控制上都是比較簡單的。硬件方法的功能和性能取決于芯片本身，對于比較復(fù)雜的應(yīng)用上會受到限制。

軟件方法的思路是使得pwm波以spwm的脈寬數(shù)據(jù)變化濾波后就可以得到正弦波形，通過計算得到占空比的波形數(shù)據(jù)，按波形數(shù)據(jù)調(diào)整pwm。其實軟方法和硬方法也并不是絕對的，比如ti的dsp芯片內(nèi)部的spwm發(fā)生器，他的做法是在內(nèi)存中存儲一張正弦表，然后用一個和定時器時鐘同步的計數(shù)器正負計數(shù)模擬一個三角波，每個時鐘將正弦表的值與三角計數(shù)值作比較輸出即得到spwm，實際上可以看成是一種半軟件半硬件的做法。軟件方法的優(yōu)勢在于成本低且更靈活，成本低不用說了，靈活性上舉個例子：調(diào)制正弦波性的極性是由獨立的控制位實現(xiàn)的(雙極性)，如果輸出標準的正弦波形硬方法需要三角波發(fā)生器和正弦波發(fā)生器的起始點精確對齊，這在硬件電路實現(xiàn)上需要附帶鎖相環(huán)電路才能保證，而軟件方法則不需要任何附加操作?，F(xiàn)在為了改善步進電機的驅(qū)動性能，我們希望極性翻轉(zhuǎn)點落后輸出幾個微秒，要做到這一點硬件方法改動肯定是難上難，而軟件方法上只需要增加個定時滯后輸出就行了。

為了減少運算開銷也可以使用查表法，把計算好的spwm數(shù)據(jù)存儲在rom里，按順序輸出表中的值即可。這種方法的數(shù)據(jù)計算可以在pc機上通過matlab軟件進行，將數(shù)據(jù)算好粘貼到源程序中就可以了。查表法的局限在于參數(shù)的變化和存儲開銷的矛盾，參數(shù)越復(fù)雜占用存儲空間越大。

(1)三角波向鋸齒波的轉(zhuǎn)換

載波為三角波時輸出的是一個左右不對稱的pwm波形，只有這種波形能夠調(diào)制出半周期對稱的正弦波，這種方法稱為非對稱的自然采樣法。其它方法(規(guī)則采樣等效面積…)都是為了減小計算量或不得以而采取的近似方法。非對稱pwm開點與關(guān)閉點沒有必然關(guān)系，必須由中央對齊的pwm模式通過一個周期的兩次更新來輸出。三角波可以看成是兩個鋸齒波的組合，因此我們可以通過鋸齒波的數(shù)據(jù)來簡化程序結(jié)構(gòu)。

步進電機的控制原理與實現(xiàn)方法

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，電機就會轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這個角度稱為步距角。通過控制脈沖的個數(shù)，可以精確控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度，從而實現(xiàn)精確定位或調(diào)速。本文將詳細介紹步進電機的控制原理及實現(xiàn)方法。

一、步進電機的控制原理

步進電機的控制主要依賴于脈沖信號。當控制器發(fā)出一個脈沖信號時，步進電機驅(qū)動器會驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動一個步距角。脈沖信號的頻率決定了電機的轉(zhuǎn)速，脈沖的個數(shù)則決定了電機轉(zhuǎn)動的總角度。此外，通過改變脈沖信號的順序，還可以控制電機的轉(zhuǎn)動方向。

二、步進電機的控制實現(xiàn)方法

1. 硬件組成

步進電機控制系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動器、步進電機和傳感器等組成。其中，控制器負責發(fā)出脈沖信號，驅(qū)動器負責將脈沖信號放大并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，傳感器則用于檢測電機的實際位置和速度，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2. 脈沖信號的產(chǎn)生

脈沖信號可以通過多種方式產(chǎn)生，如使用微控制器(MCU)的定時器功能、專用步進電機控制芯片或運動控制卡等。這些設(shè)備都能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)(如脈沖頻率、個數(shù)和方向等)輸出相應(yīng)的脈沖信號。

3. 驅(qū)動器的選擇與設(shè)置

驅(qū)動器是步進電機控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它負責將控制器發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換成足夠驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的電流和電壓。在選擇驅(qū)動器時，需要考慮電機的型號、額定電流、細分數(shù)等因素。此外，還需根據(jù)實際情況設(shè)置驅(qū)動器的參數(shù)，如電流大小、細分數(shù)和驅(qū)動模式等。

4. 控制策略的制定

為了實現(xiàn)步進電機的精確控制，需要制定合理的控制策略。這包括確定脈沖信號的頻率、個數(shù)和方向，以及處理可能出現(xiàn)的異常情況(如失步、堵轉(zhuǎn)等)?？刂撇呗缘闹贫ㄐ杈C合考慮電機的性能要求、應(yīng)用場景和實時性等因素。

5. 傳感器的應(yīng)用與反饋控制

為了進一步提高步進電機的控制精度和穩(wěn)定性，可以引入傳感器來實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過傳感器檢測電機的實際位置和速度，將其與設(shè)定值進行比較，然后調(diào)整脈沖信號的參數(shù)，以減小偏差。這種反饋控制方式可以顯著提高電機的控制性能。

三、步進電機控制的注意事項

1. 在控制步進電機時，要確保脈沖信號的穩(wěn)定性和準確性。任何干擾或誤差都可能導(dǎo)致電機失步或偏離預(yù)定位置。

2. 需根據(jù)電機的實際情況選擇合適的驅(qū)動器和參數(shù)設(shè)置。不合適的驅(qū)動器或參數(shù)可能導(dǎo)致電機性能下降甚至損壞。

3. 在制定控制策略時，要充分考慮電機的動態(tài)特性和負載情況。過于復(fù)雜的控制策略可能導(dǎo)致實時性降低，而過于簡單的策略則可能無法滿足控制要求。

4. 在使用傳感器進行反饋控制時，要確保傳感器的精度和可靠性。同時，要合理處理傳感器的數(shù)據(jù)，以避免誤判或誤操作。

四、總結(jié)

步進電機的控制涉及多個方面，包括硬件組成、脈沖信號的產(chǎn)生與處理、驅(qū)動器的選擇與設(shè)置、控制策略的制定以及傳感器的應(yīng)用等。只有綜合考慮這些因素，才能實現(xiàn)步進電機的高精度、高效率和高穩(wěn)定性控制。隨著科技的不斷發(fā)展，步進電機控制技術(shù)也將不斷進步，為更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力支持。