本帖最后由 wangjj19950516 于 2021-1-7 17:37 编辑
上次分享过一篇关于步进电机运行原理的**，https://bbs.21ic.com/icview-3057922-1-1.html?_dsign=32c4edc8只是简单的介绍了步进电机的转动原理以及常规控制方法。
最近研究了一下，发现步进电机的控制可不止那么简单，有更为精准的各种控制方式，这里跟大家分享一下。
一、步进电机介绍
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。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，因此，步进电机又称脉冲电动机。
二、步进电机控制原理
步进电机的转动原理与其他电机一样，其根本都是绕组通电，产生磁场，从而使转子在磁场作用力下转动。
以一个四线两相步进电机为例，分析控制方式。两个绕组在结构上呈90°垂直分步。
1.四拍控制
两个垂直的绕组，改变通电顺序，使磁场方向改变。
总共4种通电方式，A+B+,A-B+,A-B-,A+B-。从理论磁场图来看，每一拍定子磁场跳变90°角度。绕组的4个接线的控制线可为下面的波形。
4路信号可用普通GPIO口做，也可用PWM做，每一拍的时间长短决定电机的转速，且接线的顺序和步数由电机的结构决定。
2.八拍控制
上述四拍控制，每一拍转过90°，跨距较大，转动会不平稳，八拍是在四拍的基础上，增加每个绕组单独通电的顺序，即4拍是两个绕组同时通电，4拍是只有一个绕组通电。
这样八拍，每一拍转过的角度变为45°，比90°要平稳一些。控制波形如下：
以上两种控制方式都是直接控制绕组上通电的时间，称为分步控制，控制转矩波动大，为了使电机转动更平滑，有了微步控制。
3.微步控制
为了减小步进电机运行时的噪声和抖动，人们设法让定子绕组的磁场方向的跳变幅度变小，把一个分步一次的大跳变分成若干次较小的跳变来完成。于是就有了微步控制。也叫细分驱动方式。
根据矢量合成的原理，当步进电机中的两个绕组各自产生的磁场强度按照正弦规律变化的时候，它们的合成磁场的方向就会匀速旋转，而合成磁场的强度保持不变。线圈产生的磁场强度与通过它的电流大小成正比，因此，微步控制方式就是让通过线圈的驱动电流不是像分步方式那样在0和最大值之间跳变，而是按照正弦规律分成几个阶梯逐步变化。
要实现上面所示绕组上的正弦电流，采用将PWM波形电压信号施加到绕组上。
该电机的参数为一个全步分12个微步，一个周期为24个微步，每个微步调整PWM占空比即可实现。只需在正弦波上取24个点，将每个点的幅值标幺到PWM的计数值，这样每一个微步切换一次PWM的占空比，而每个微步持续的时间决定了电机的转速。
（1）4路PWM方式
采用4路PWM控制的，其控制波形如下图。
例如，A相要通正电流时，A+接PWM信号，且每个微步调整PWM占空比为对应的正弦值，此时A-始终为低电平，A+的占空比越大，流过A相的正向电流就越大。
当A相需要通负电流时，用A-接PWM信号，A+始终为低电平，此时，A-打开时就有负向电流流过绕组。A-的占空比越大，流过A相的负向电流就越大。
所以A+和B+是正弦波的正半轴，A-和B-是正弦波的负半轴。
（2）2路PWM+2路IO方式
如果PWM通道不够用，可以用两路PWM方式，每个绕组一端接PWM，另一端接普通IO口。控制波形如下图：
这种2路PWM的控制方式，需要翻转电平以达到负向电流的效果。
当A相需要通正向电流时,A+接PWM，A-为低电平时，PWM的高电平时间为通电时间，占空比越大，通电时间越长；
当A相需要通负向电流时，翻转A-为高电平，A+的极性翻转，此时，PWM的低电平时间为通电时间，电流从A-流向A+，占空比越小，通电时间越长。
微步控制方式下，每一步的持续时间决定电机的转速，但不能超过电机的最大转速参数，否则转子的转动速度跟不上换步的速度，导致电机失步。
可以采用定时器定时每步的时间，定时中断中处理换步，PWM占空比调节等操作。
三、位置控制
步进电机每输入一个脉冲信号就会转过相应的角度。根据电机参数可以实现精确的位置控制。
如图所示，这个电机1个微步转过的角度为0.083°，如果需要转动90°，则需要90/0.083=1084个微步，那么在程序中，可以在定时器中断中计数，当达到1084后关闭输出波形，电机停止，实际验证确实转过90°。
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