讓電機動起來！Arduino驅動步進電機教程

1. 簡述

平時咱們會遇到不一樣種類的電機，主要常見的是步進電機，無刷直流電機，有刷直流電機，其實這幾種電機的工做原理相似，都是用電流產生磁場吸引電機裏的轉子旋轉，這也就是爲何咱們用一些電機驅動芯片（並非全部的驅動）能夠驅動一個步進電機或者兩個直流電機。這篇博客主要是講什麼是步進電機以及如何驅動步進電機，如何設置定時器。若是你們對個人博客有任何疑問，歡迎你們和我討論。

2. 所需的電子元件

• Arduino
• A4988 電機驅動
• NEMA (17HS16-2004S1)步進電機
• 電壓源

電路圖以下（摘自Pololu A4988，連接）：

我搭出來的電路的模樣：

3. 步進電機和電機驅動

3.1 datasheets

首先咱們須要研究一下步進電機和它的驅動的datasheet。

3.1.1 步進電機的datasheet

我用第一張圖給你們簡單地講解下步進電機是如何工做的：2A和2B是一條「導線」的兩端，1A和1B是另一條「導線」的兩端，經過把這兩條導線在電機內纏繞，會讓他們在通電的時候各自產生磁場。磁場的方向根據洛倫茲法則能夠得出，和電流的方向，繞線的方向有關。產生的磁場會吸引電機內部中心的轉子旋轉。經過兩根導線交替產生不一樣方向的磁場，以此來吸引轉子周而復始的旋轉。更多的你們能夠百度。

下面這張圖是NEMA (17HS16-2004S1)的datasheet：

咱們注意到在上圖的電機datasheet裏面額定電壓是2V，額定電流是2A每一個Phase，這個Phase指的就是上面提到的2A/2B或者是1A/1B的導線。咱們應該如何理解這裏的額定電壓和電流？它們指的是：當我給2A和2B端或1A和1B端加上2V的電壓，會有2A的電流流過導線，根據歐姆定律，咱們獲得導線兩端的電阻是1歐（在datasheet上，Resistance/Phase那一行也寫着1歐姆）。

因此咱們可不能夠認爲交替地在2A/2B和1A/1B上加上2V的電壓就可讓電機轉動？答案是：是的。咱們加的是額定電壓，固然可讓電機轉動。但問題是電機不會有足夠的轉速和扭矩，緣由是根據法拉第電磁感應定律，除了咱們電壓所產生的電流外，還會有電磁感應產生的電流，而電磁感應的電流和電壓所產生的電流是反向的，所以雖然咱們在導線兩端加上了額定電壓，可是在最初的一段時間內，獲得的電流會比額定電流少不少。若是電流不夠大，那麼產生的磁場是不夠移動轉子的。這時候咱們想到的辦法是：能夠提升加在導線兩端的打壓來抵消由磁場產生的反向電流，而電機的驅動就是提升兩端的電壓，一般能夠提升到額定電壓的10倍，固然咱們須要限制驅動芯片提供給電機的電流，這個咱們後面會更詳細地說。

3.1.2 步進電機驅動datasheet

市面上有不少步進電機的驅動，除了此次用的A4988，還有A3988，DRV8871等等。它們的工做方式也類似，都是1）在電機每一個Phase兩端加幾倍於額定電壓的電壓值，2）控制每一個Phase的最大電流，這樣的步進電機驅動被稱爲chopper driver，就是說爲了提供不超過某個上限電流，它會在特定的時間點中止爲電機提供電壓。以下圖所示：

能夠看到圖中，當電流超過了上限值I，驅動就會中止提供電壓，這時由於磁場做用，電流並不會瞬間爲0，而是會逐漸減少（時間常數 = LR）。當電流小於上限值I，驅動又會從新提供電壓。因此經過這種達到，既在電機每一個Phase兩端提供了高電壓，又控制了電流。根據上面電機的datasheet中的AMP/PHASE，咱們獲得咱們須要保證每一個Phase的電流不超過2A。

下面咱們來看看A4988的datasheet：
首先咱們須要弄懂的是，Arduino應該如何讓驅動開始驅動步進電機工做。以下圖所示：

和第一張圖對應，STEP須要輸入脈衝信號（最上面RESET信號，我認爲標識錯了，由於STEP和下面的Phase1，Phase2都是正常工做時的樣子）。電機驅動會控制電流輸出，圖中的Phase1和Phase2。有幾點咱們能夠注意到，首先每次STEP的上升沿，是Phase1或者Phase2發生變化的地方，並且STEP在每一個上升沿只會有一個Phase發生方向的改變。好比第二個上升沿，Phase 1的電流仍是70.71%，而Phase 2的電流就從-70.71%改變到+70.71%，這裏的正負號表明電流的方向，這個是和步進電機的機械結構相關的，好比咱們不會把步進電機從0度直接到180度，而是會0度先到90度，再到180度。第二點，咱們能夠想到，若是想加快電機的轉動速度，咱們須要作的就是減小每一個脈衝的寬度，固然這個脈衝的寬度會有最小值，最小值在於當咱們設置了某個脈衝寬度，電機驅動在沒有等到電機中的轉子轉到指定的位置的時候，就產生了下一次的脈衝，換句話說就是機械裝置還沒來得轉到合適的地方，電信號就產生改變。第三點，Phase1和Phase2的電流能夠有如下這四種組合，(Phase1, Phase2) = (+70.71%, +70.71%), (+70.71%, -70.71%), (-70.71%, -70.71%), (-70.71%, +70.71%)，每個組合表明了轉子的一個旋轉位置，從一個組合到下一個組合會使得轉子從當前位置旋轉到下一個位置。

如今咱們知道咱們須要PWM(脈衝方波)發送給驅動，這樣驅動產生合適的電流控制電機了。下一步咱們須要搞懂的是如何設置最大的電流上限，根據電機的datasheet，咱們知道每一個Phase的最大電流不能夠超過2A。以下圖截取自A4988 datasheet：

根據上面的截圖，咱們知道 Imax = Vref / (8 * Rs)。在pololu的A4988 的電路圖以下圖因此：

Rcs是68毫歐，Vref有一個鏈接一個滑動變阻器組成一個分壓電路，因此咱們須要用保證Vref 不高於1.088V便可。

具體方法你們能夠百度，把滑動變阻器調節到合適的位置便可，好比參考這個連接。

4. 硬件定時器

如今咱們來講說，Arduino如何產生PWM脈衝。嵌入式的定時器是很是有用的功能，不少東西都是在定時器的基礎上搭起來的，好比說操做系統。Arduino使用的是Atmel328P芯片，你們能夠下載Atmel328P的芯片手冊，這款芯片上一共有三個定時器，兩個8-bit timer，一個16-bit timer。我選擇的是8-bit的TIMER2。想了解定時器的功能和寄存器功能的話，能夠讀一下atmel328p datasheet。我在這裏主要和你們介紹下這個定時器不一樣的計數方式，參考TCCR2A裏的WGM21和WGM20，TCCR2B裏的WGM22。TIMER2能夠控制兩個GPIO來產生PWM輸出，分別是OC2A和OC2B。

• Normal Mode

第一種是正常工做的模式，這時8bit的計數寄存器會從0計數到255，而後返回0，從新計數。我設置計數器使用Normal mode，每62.5ns計數一次。每次compare match的時候就toggle OC2A和OC2B pin，OCR2A = 64, OCR2B = 192，因此當計數器計數到64時，會toggle OC2A pin，計數到192時，會toggle OC2B pin。

能夠想象到，計數256次(62.5ns * 256 = 16us)，OC2A和OC2B會toggle一次，並且OC2A和OC2B toggle的時間會相差128次計數，由於OCR2A和OCR2B相差了128。

產生的波形以下圖，裏面的黃色和藍色的波形表明OC2A和OC2B pin上產生的電壓，測量點A到測量點B是toggle兩次的時間(16us*2 = 32us)：

• PWM, Phase Correct (Mode 1)

第二種計數模式是PWM Phase Correct模式。在計數方式上，它會從0計數到255，而後再從255到0。而它是PWM 模式的，和第一種的區別就在於，咱們能夠設置當計數到255和到compare match的時候OC2A, OC2B pin的電平高低，從而控制脈衝的寬度。

產生的波形以下圖，OCR2A = OCR2B = 32，一個pin設置爲compare match時設高電平，0xFF時設低電平；另一個相反，compare match時低電平，0xFF時高電平。從測量點A到測量點B的時間應該是計數器從32->255->32，一共447*62.5us=27.9us。

• CTC

第三種計數模式是CTC模式。這種模式的計數方式是從0到OCRA，再返回0，所以與第一種normal mode不一樣的是，這種模式能夠到OCRA而不是0xff，換句話說是週期是能夠調整的。若是是toggle pin的話，duty cycle通常是固定的50%(固然能夠產生中斷從新設置OCRA寄存器從而改變週期)。

產生的波形以下圖，OCR2A = 64，OCR2B = 10，OC2A和OC2B都是toggle，因此當計數器counter等於64時，OC2A 會toggle而後計數器清零，當計數器counter等於10的時候，OC2B會toggle，但並不影響計數器繼續計數。A 和B的週期都應該是(62.5*64 = 4us)

• Fast PWM(Mode 3)

第四種是Fast PWM模式，且在0xFF清零。這種和第二種PWM, Phase Correct (Mode 1)很是類似，只不過計數方式是從0到255再返回0。

產生的波形以下圖，OCR2A = OCR2B = 32，一個pin設置爲compare match時設高電平，0xFF時設低電平；另一個相反，compare match時低電平，0xFF時高電平。從測量點A到測量點B一共是一個週期，就是256*62.5 = 16us

• PWM, Phase Correct (Mode 5) 和 Fast PWM(Mode 7)

第五種和第六種我放在一塊兒，由於兩種模式比較類似，這兩種產生的波形的週期和duty cycle均可以很是方便地改變。
拿Fast PWM(Mode 7)舉例來講，由於在計數器和OCRA同樣的時候會清零，並且得決定在compare match和清零的時候發生什麼事(參考WGM和COM bit)，因此OCA pin是沒法輸出PWM波的（清零和compare match在一塊兒）。咱們一般把OCR2A和OCR2B配合只用，OCR2A決定週期，OCR2B決定duty cycle，OC2B pin產生所須要的PWM波形，好比說我要產生一個週期是8usec(62.5nsec128)，duty cycle 25%（62.5nsec32），可讓OCR2A = 128, OCR2B = 32，而後設置在清零時置OC2B高電平，compare match時置低電平。

產生的波形以下圖所示：

以上講的全部類型的PWM設置的代碼都在GitHub上，你們能夠任意下載修改測試。GitHub Repo連接。

5. PWM驅動電機

到目前，咱們已經知道硬件該如何鏈接，該如何設置最大電流，該如何設置Atmel328P的PWM。

我使用了Timer2 Fast PWM (Mode 7)來產生週期可變的PWM信號，這樣能夠方便地讓電機開始時從最慢逐漸變快，在電機要停下來的時候從最快的速度逐漸變慢直到中止，這樣能夠增大電機的扭矩和穩定性。

整個控制步進電機的代碼在GitHub上，連接