基于ArduAo單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

□ 李世賢 信麗華 于奉天

一、引言

ArduAo是一種易于上手、操作靈活的開源電子原型平臺(tái)，其采用價(jià)格低廉的處理器，可直接USB供電，其編程語(yǔ)言是基于C語(yǔ)言開發(fā)的一種易于無(wú)編程語(yǔ)言基礎(chǔ)的學(xué)者掌握的語(yǔ)言。步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)脈沖信號(hào)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，其控制方便、價(jià)格低廉、方便控制的優(yōu)點(diǎn)使其在家用電器、工廠自動(dòng)化中廣泛采用?，F(xiàn)有的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非專業(yè)人員難以掌握。將ArduAo的優(yōu)點(diǎn)充分與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，可以組成價(jià)格低廉，易于非專業(yè)人員控制的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)。本文就是基于ArduAo設(shè)計(jì)的通過(guò)計(jì)算機(jī)控制并顯示轉(zhuǎn)速的一款控制機(jī)構(gòu)。

二、ArduAo簡(jiǎn)介

單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)的主要原件集成在一塊相對(duì)計(jì)算機(jī)小很多的芯片上的微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的集成設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)了結(jié)構(gòu)，信號(hào)傳輸?shù)穆窂娇s短，使其運(yùn)行速度和可靠性很高。ArduAo包含兩部分，一部分是用于編程的ArduAo IDE，可以使用其編寫控制硬件的驅(qū)動(dòng)程序，然后將其上傳到ArduAo的硬件就可以控制單片機(jī)控制做要求的指令。另一部分是基于Atmega328單片機(jī)的硬件部分。由于ArduAo已經(jīng)將基本的原件結(jié)合在一起，可以使用其直接讀取各種傳感器的信號(hào)，方便不了解電路知識(shí)的學(xué)者操作。

ArduAo的參數(shù):Digital I/O數(shù)字輸入/輸出端口0-13;Analog I/O模擬輸入/輸出端口0-5;輸入電壓 USB接口供電/5～12V外部供電;輸出電壓 支持3．3～5V DC輸出。管腳說(shuō)明:GND 接地;3．3V、5V 電源輸出;0A、1A、2A、3A、4A、5A模擬輸入兼數(shù)字輸入輸出端;0至13數(shù)字輸入輸出端。

三、步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介

(一)步進(jìn)電機(jī)原理。一般情況下電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流通過(guò)定子時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。定子受到磁力時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度。同時(shí)轉(zhuǎn)子也會(huì)隨著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸入一次信號(hào)，電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一定角度。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率正相關(guān)。繞組的通電順序決定轉(zhuǎn)向。根據(jù)其原理，可以調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率、長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度。

(二)步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)。相數(shù):線圈組對(duì)數(shù);拍數(shù):實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)周期性變化的脈沖數(shù);步距角:每個(gè)脈沖信號(hào)所驅(qū)動(dòng)角度;定位轉(zhuǎn)矩:斷電時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)所需的力矩;靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。

四、硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)使用的硬件有28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，ArduAo UNO型號(hào)的ArduAo硬件，ULN2003A型號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。各個(gè)引腳的鏈接方式如表1。

表1 單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊引腳連接

五、軟件設(shè)計(jì)

采用ArduAo IDE軟件進(jìn)行控制語(yǔ)言的編程。首先編寫控制引腳輸入信號(hào)的順序，采用八拍控制，然后讀取計(jì)算機(jī)輸入數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度控制，最后單片機(jī)回饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

六、結(jié)語(yǔ)

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于在步進(jìn)電機(jī)的額定工作情況下，可以隨意調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，彌補(bǔ)了當(dāng)前主流控制機(jī)構(gòu)只能有級(jí)調(diào)速的缺點(diǎn)，本控制機(jī)構(gòu)可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速控制，還可以實(shí)時(shí)輸出步進(jìn)電機(jī)的角速度。

［1］趙英杰．ArduAo互動(dòng)設(shè)計(jì)入門［M］．北京:科學(xué)出版社，2014

［2］王秀和．永磁電機(jī)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2007

［3］馮江華，陳高華，黃松濤．異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制［J］．電工科學(xué)報(bào)，1999

［4］黃文凱．ArduAo開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014

［5］(美)Massimo Banzi［M］．北京:人民郵電出版社，2012