聊一聊步进电机的几件事

来源：DigiKey
作者：Alan Yang

1. 什么是步进电机？

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。

对于步进电机，每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步。其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。

下面看一个简单的双极电机：


图 1 双极电机

双极步进电机有四根电线和两个线圈。要使其旋转，需要通过线圈发送电流。每根电线都需要能够被高低驱动。以下是如何驱动电流使步进电机旋转。


图 2 双极步进电机

要理解为什么这样做，请考虑一个只有四个步骤的简单步进电机。在第一阶段，它将磁体与第一线圈对齐。下一步将磁体旋转90度。通过第一线圈反向发送电流会反转磁体极性。相反的线圈被连接，但相对于中心磁体产生相反的磁场。


图 3 步进电机转动四个步骤

当然，大多数步进电机的步数超过4步。你的标准步进电机每转200步。以这种方式旋转电机称为全步进。一旦你完成了全步工作，半步是非常简单的。你可以同时通过两个线圈发送电流，这将使分辨率加倍。

步进电机驱动器也可以使用微步进，微步进调节通过线圈的电流。典型的电机控制器可以在每一个完整的步骤中执行16个微步骤。一些芯片负责调制电流，但较旧的芯片需要为其驱动的步进电机“调谐”。微步进进一步将整个步进划分为256微步进，使典型的200步进电机变成51200步进电机！微步进还降低了电机的噪音，使其运行更平稳、更高效。


图 4 完整步骤1和2之间的半步

2. 如何控制线圈中的电流：

控制通过绕组的电流的最常见设置是使用所谓的H桥。它是一组四个晶体管，可以将每条导线拉高或拉低。你也可以用MOS管代替晶体管，但布线会有点不同。该图显示了如何通过H桥向任意方向发送电流。你只需要打开路径中的晶体管。


图 5 线圈中的电流方向

你必须确保同一侧的两个晶体管不能同时导通。这将通过提供从电源到接地的低电阻路径使电路短路。你还应注意，晶体管可能需要一段时间才能从接通切换到断开。除非你知道自己在做什么，否则不建议快速切换通过线圈的电流。


图 6 必须确保同一侧的两个晶体管不能同时导通

这仍然不是全貌。旋转电机将产生电压。为了保护晶体管，最好放置二极管。


图 7 用于保护晶体管的二极管

这将防止电机产生高压，这可能会破坏晶体管甚至驱动器。如果驱动步进电机的电压高于MCU输出的电压，则需要添加另一个晶体管来控制PNP晶体管。


图 8 使用另一个晶体管来控制PNP晶体管

当你打开额外的NPN晶体管时，它将允许电流从PNP晶体管的基极（引脚1）流出，从而打开它。现在所需要的只是所有NPN晶体管基极上的限流电阻。


图 9 NPN晶体管基极加上的限流电阻

就是这样！该H桥将控制通过其中一个绕组的电流。由于有两个绕组，我们需要将这个电路加倍。


图 10 双H桥驱动步进电机

现在，你可以很好地计算所需的组件。使用双H桥并不是驱动步进电机的唯一方法。你也可以购买步进电机驱动器，它将内置双H桥（尽管驱动器通常使用MOS管和其他技巧）。如果你想减少BOM数量（有时获得更多功能），我建议你看看步进电机驱动器。你需要查看数据表以了解芯片提供的功能。一些芯片只提供晶体管和二极管，而其他芯片则完全控制通过线圈的电流。

3. 微步进：


图 11 脉宽调制信号

微步进包括向晶体管发送脉宽调制信号。这是一种控制电机线圈电流的简单方法。预先选择的PWM值被放置在正弦查找表中。典型地，选择20-40kHz的PWM频率。任何低于20千赫的声音，人类耳朵都能听到。频率保持低于40kHz以提高效率并减少晶体管中的功耗。当PWM信号为高时，电流流过晶体管。当PWM信号低时，电流流过二极管。这是一个非常粗糙的微步进实现，但它给出了它如何工作的一般概念。使用MOS管的电机驱动器可以控制电机电流降低或衰减的速度。驱动器的电流波形更像这样：


图 12 流经MOS管电机驱动器的电流

必须为其驱动的电机手动优化快速衰减周期和慢速衰减周期。一些新芯片会根据其感应到的电流自动调整衰减周期，但旧芯片可能需要优化（或调整）。

4. 步进电机驱动实例

介绍板子：

实例：使用控制板Arduino Mega控制步进电机驱动板TMC5130-EVAL来驱动步进电机。


图 13 使用Arduino Mega控制步进电机驱动板TMC5130-EVAL

控制器：Arduino Mega 2560是一款基于ATmega2560的微控制器板。它有54个数字输入/输出引脚（其中15个可以用作PWM输出）、16个模拟输入、4个UART（硬件串行端口）、一个16 MHz晶体振荡器、一个USB连接、一个电源插座、一个ICSP头和一个复位按钮。它包含支持微控制器所需的一切；只需用USB电缆将其连接到计算机，或用交流到直流适配器或电池为其供电即可开始使用。

步进电机驱动板：TMC5130是一个完全集成的步进电机驱动器和控制器系统，允许从任何微控制器远程控制步进电机。它在硬件上实现了所有实时关键任务。一旦配置，电机可以通过给出目标位置、命令归航序列或给出目标速度来驱动。使用TMC5130的好处包括：易于使用，使用256微步的电机精度，低电机噪声（无噪声隐藏斩波器），无传感器失速检测（stallGuard2），无阶跃损耗，dcStep和coolStep、UART或SPI控制接口的高效率，高电压范围，小形状因数，以及低部件数量。

1. 确保Arduino Mega与TMC5130-EVAL有电压匹配

如果Arduino是5V控制板，则必须将TMC5130-EVAL上的一个电阻从位置R3重新定位到R8。这将TMC5130的逻辑电平设置为+5V。

2. 连线


图 14 TMC5130与Arduino Mega 2560连接 （图片来源于Trinamic）

上图的电缆颜色

+5V - >红色

GND - >蓝色

SDO - >黄色

SDI - >橙色

SCK - >白色

CSN - >灰色

DRV_ENN - >黑色

CLK16 - >绿色


图 15 引脚对应的信号 （图片来源于Trinamic）

引脚对应的信号。在Arduino代码的注释部分记录了配置。

ARDUINO代码

下面的Arduino代码不需要任何额外的库。SPI库是Arduino IDE附带的。该程序初始化TMC5130并执行简单的移动到位置周期。它将根据步进电机的接线将200全步进电机向一个方向旋转10转，向另一个方向旋转10转。请使用TMC5130数据表或TMCL IDE作为不同寄存器的参考。

#include
#include "TMC5130_registers.h"

/* The trinamic TMC5130 motor controller and driver operates through an
* SPI interface. Each datagram is sent to the device as an address byte
* followed by 4 data bytes. This is 40 bits (8 bit address and 32 bit word).
* Each register is specified by a one byte (MSB) address: 0 for read, 1 for
* write. The MSB is transmitted first on the rising edge of SCK.
*
* Arduino Pins Eval Board Pins
* 51 MOSI 32 SPI1_SDI
* 50 MISO 33 SPI1_SDO
* 52 SCK 31 SPI1_SCK
* 25 CS 30 SPI1_CSN
* 17 DIO 8 DIO0 (DRV_ENN)
* 11 DIO 23 CLK16
* GND 2 GND
* +5V 5 +5V
*/


int chipCS = 25;
const byte CLOCKOUT = 11;
// const byte CLOCKOUT = 9;   --> Uncomment for UNO, Duemilanove, etc...
int enable = 17;

void setup() {
// put your setup code here, to run once:
pinMode(chipCS,OUTPUT);
pinMode(CLOCKOUT,OUTPUT);
pinMode(enable, OUTPUT);
digitalWrite(chipCS,HIGH);
digitalWrite(enable,LOW);

//set up Timer1
TCCR1A = bit (COM1A0); //toggle OC1A on Compare Match
TCCR1B = bit (WGM12) | bit (CS10); //CTC, no prescaling
OCR1A = 0; //output every cycle

SPI.setBitOrder(MSBFIRST);
SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8);
SPI.setDataMode(SPI_MODE3);
SPI.begin();

Serial.begin(9600);

sendData(0x80,0x00000000); //GCONF

sendData(0xEC,0x000101D5); //CHOPCONF: TOFF=5, HSTRT=5, HEND=3, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
sendData(0x90,0x00070603); //IHOLD_IRUN: IHOLD=3, IRUN=10 (max.current), IHOLDDELAY=6
sendData(0x91,0x0000000A); //TPOWERDOWN=10

sendData(0xF0,0x00000000); // PWMCONF
//sendData(0xF0,0x000401C8); //PWM_CONF: AUTO=1, 2/1024 Fclk, Switch amp limit=200, grad=1

sendData(0xA4,0x000003E8); //A1=1000
sendData(0xA5,0x000186A0); //V1=100000
sendData(0xA6,0x0000C350); //AMAX=50000
sendData(0xA7,0x000186A0); //VMAX=100000
sendData(0xAA,0x00000578); //D1=1400
sendData(0xAB,0x0000000A); //VSTOP=10

sendData(0xA0,0x00000000); //RAMPMODE=0

sendData(0xA1,0x00000000); //XACTUAL=0
sendData(0xAD,0x00000000); //XTARGET=0
}

void loop()
{
// put your main code here, to run repeatedly:
sendData(0xAD,0x0007D000); //XTARGET=512000 | 10 revolutions with micro step = 256
delay(20000);
sendData(0x21,0x00000000);
sendData(0xAD,0x00000000); //XTARGET=0
delay(20000);
sendData(0x21,0x00000000);
}

void sendData(unsigned long address, unsigned long datagram)
{
//TMC5130 takes 40 bit data: 8 address and 32 data

delay(100);
uint8_t stat;
unsigned long i_datagram;

digitalWrite(chipCS,LOW);
delayMicroseconds(10);

stat = SPI.transfer(address);

i_datagram |= SPI.transfer((datagram >> 24) & 0xff);
i_datagram <<= 8;
i_datagram |= SPI.transfer((datagram >> 16) & 0xff);
i_datagram <<= 8;
i_datagram |= SPI.transfer((datagram >> 8) & 0xff);
i_datagram <<= 8;
i_datagram |= SPI.transfer((datagram) & 0xff);
digitalWrite(chipCS,HIGH);

Serial.print("Received: ");
PrintHex40(stat, i_datagram);
Serial.print("\n");
Serial.print(" from register: ");
Serial.println(address,HEX);
}

void PrintHex40(uint8_t stat, uint32_t data) // prints 40-bit data in hex with leading zeroes
{
char tmp;
uint16_t LSB = data & 0xffff;
uint16_t MSB = data >> 16;
sprintf(tmp, "0x%.2X%.4X%.4X", stat, MSB, LSB);
Serial.print(tmp);
}


代码来源于：Trinamic 博客 （关于代码的问题，可以去Trinamic博客上了解更多）

总结：

希望这片文章，可以帮助您了解步进电机的工作原理以及如何驱动步进电机。同时驱动步进电机的技术已经很成熟，善于利用现有的硬件和代码，才能事半功倍。