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本文介紹X-CTR100控制器控制步進電機，實現步進電機精確轉速控制。
原理
如上圖所示，步進電機系統一般包括控制器、驅動器和步進電機三部分。
步進電機
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（或步進角）。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到准確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達調速的目的。因此在需要准確定位或調速控制時均可考慮使用步進電機。
步進電機根據尺寸進行分類，常用小型步進電機有42、57型號。
本文使用42型四線步進電機接口及參數
本文選用電機參數
步進電機種類、參數眾多，詳細說明請查閱本文參考資料文件夾內容。
驅動器
上圖為常用步進電機驅動器，其中DRV8825和A4988為小型步進電機驅動器，驅動電流較小，常用於打印機、3D打印機、雕刻機等設備，支持的3d打印機有Prusa Mendel,ultimaker,printbot,makerbot等
TB6600為大功率驅動器，驅動電流更大，常用於大型設備。
驅動器雖然外形參數各異，驅動方法類似，一般包括EN（使能）、DIR（方向）、PLUS（脈沖）三個控制角。
本文以DRV8825為例進行說明。A4988與DRV8825引腳兼容，性能稍弱，詳見下表。
參考：https://reprap.org/wiki/A4988_vs_DRV8825_Chinese_Stepper_Driver_Boards
DRV8825 是德州儀器 (TI) 為打印機、 掃描儀和其他自動化設備設計的集成電機驅動芯片。 它集成了 2 個 H 橋電路， 以及片上 1/32 微步進分度器， 可以驅動一個雙極型電機，或兩個直流有刷電機。 輸入電壓范圍 8.2~45V, 可以提供 1.75A 的有效電流， 並可承受 2.5A的峰值電流(在 24 V、 25° C 的應用環境下 )。低至 0.2Ω 的導通電阻， 保證了芯片良好的熱特性。 另外， 還集成了快速響應的短路、 過熱、欠壓及交叉傳導保護功能電路， 能夠檢測故障狀況， 並迅速切斷 H 橋， 從而為電機和驅動芯片提供保護
DRV8825相對4988 特點優勢：
1、最大電流2.5A。
2、最高支持32細分。
3、4層PCB板，散熱性能更好。
4、芯片內阻更小，發熱更低，散熱性更好。
DRV8825特點：
1、適合驅動8.2V~45V 2.5A以下的步進電機；
2、只有簡單的步進和方向控制接口；
3、六個不同的步進模式：全、半、1/4、1/8、1/16、1/32；
4、可調電位器可以調節最大電流輸出，從而獲得更高的步進率；
5、自動電流衰減模式檢測/選擇；
6、過熱關閉電路、欠壓鎖定、交叉電流保護；
7、接地短路保護和加載短路保護
DRV8825模塊原理圖：
DRV8825接線示意圖
細分設置
電流調節
Rs電阻值市面上一般是0.1 歐（R100），對應的是驅動模塊上面S1 S2電阻。這里是0.1歐姆（標號R100=0.1歐）。
但市面DRV8825驅動模塊這個Vref出廠基本都是調到1.6V這樣算下來，電流I=3.2。這也是很多人用DRV8825驅動模塊發燙，電機發燙原因，這樣很容易損壞電機和驅動模塊。
所以拿到手第一時間把這個Vref參考電壓調小到0.5V左右再根據電機參數微調。
Vref電壓：電位器金屬旋鈕到GND的電壓。可以通過調節電位器改變。
常見問題
1)DRV8825驅動板可以驅動57電機嗎？
4988可以驅動的電機跟尺寸關系不大，主要與工作電流有關，理論上電流小於2A的步進電機都是可以驅動的，不論是42還是57電機。
2）可以驅動多大的電流？
如果DRV8825芯片上沒有加散熱片，電流最好在1.5以下。如果加散熱片，電流可以達到2.5A。
3）步進電機的連接方式是什么？
正如DRV8825板子背面所標識的，連接方式是依次連接步進電機的1B-1A-2A-2B，或者反向為2B-2A-1A-1B，或者1A-1B-2B-2A，其它的方式一次類推。如果你的電機線是標准的紅藍綠黑的顏色，可以按照顏色連接為：紅-藍-綠-黑，或相反：黑-綠-藍-紅。
4）接上電機后，電機不能正常運行，在左右抖動，是什么原因？
電機出現抖動一般有兩個原因，一是缺相：可能是DRV8825板子沒有焊接好或因為外力導致DRV8825的輸出端某一相斷開，造成電機缺相從而抖動。也有可能是步進電機接線只用一相沒有連接好；而是兩相接錯：如果步進電機沒有按照正確的順序進行連接，電機也會出現抖動的情況，請按照問題3進行正確的連接
5）電機丟步如何解決？
相電流的大小跟步進電機的扭力有直接關系，如果感覺你的步進電機扭力不足、丟步，可以加大4988板子的電流配置。驅動板是通過一個小的電位器來實現對輸出電流的配置的。可以通過用萬用表測量電位器中間管腳的電位。電位和電流的關系滿足下面的公式：Vref = I_TripMax= Vref/(5*Rs)（模塊的Rs電阻為R100）.也就是如果你想配置電機工作電流為1A，則電位應該配置在0.5V
6）DRV8825可以驅動兩相六線或兩相無線的電機嗎？
可以，兩相連線按照問題3連接，將中間抽頭懸空即可。
7）電機停止轉動時會有滋滋的電流聲。
首先說明的是這是正常現象。步進電機的特點是走特定的角度而不是一直轉，所以步進電機都有一個參數，步距角。如果通過細分，可以最小走步距角/細分數的角度，比如步距角為1.8度的步進電機，采用16細分，最小可以走的角度是1.8/16=0.1125度。但由於這個角度非常小，並且不一定在電機物理所在的位置（1.8度為一個物理位置），所以步進電機停止時也需要通電，從而保證電機不會自動跳到物理步距角上。因為這個特性使得步進電機在靜止時會有電流聲，這屬於正常現象，不用擔心。
X-SOFT軟件生態，X-API文件如下。
參考自【開源&分享】蒙塵子 http://www.3dprinter-diy.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1330
高級說明
步進電機主要參數
① 步進電機的相數：是指電機內部的線圈組數，目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。
② 拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態，用m表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數。
③ 保持轉矩：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。
④ 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。
⑤ 定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩。
⑥ 失步：電機運轉時運轉的步數，不等於理論上的步數。
⑦ 失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。
⑧ 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線 。
步進電機的特點
① 一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積；
② 步進電機外表允許的最高溫度取決於不同電機磁性材料的退磁點；
③ 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降（ U=E+L(di/dt)+I*R），矩頻特性曲線
④ 空載啟動頻率：即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。
步進電機的起步速度一般在10~100RPM，伺服電機的起步速度一般在100~300RPM。根據電機大小和負載情況而定，大電機一般對應較低的起步速度。
⑤ 低頻振動特性：步進電動機以連續的步距狀態邊移動邊重復運轉。其步距狀態的移動會產生1 步距響應。
電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然。步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振
動和噪聲方法：
a. 通過改變減速比等機械傳動避開共振區；
b. 采用帶有細分功能的驅動器；
c. 換成步距角更小的步進電機；
d. 選用電感較大的電機
e. 換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本高；
f. 采用小電流、低電壓來驅動。
g. 在電機軸上加磁性阻尼器；
例程
本例程實現X-CTR100控制器對步進電機精確轉速控制。
由於步進電機特性，很難直接設置高轉速，一般需要加減速過程，本例程包括了步進電機加減速運行。
另外還包括零轉速和關閉使能狀態下的力矩情況。
硬件說明
硬件資源：
- 串口UART1
- DRV8825驅動器，轉接板（自備）
- 42步進電機
- 12V電源（3A）
硬件連接：
使用MicroUSB數據線連接X-CTR100 COM接口。
步進電機控制接口
STEP——PE9（RP接口）
DIR——PE4（RP接口）
EN——PE5（RP接口）
5V——5V（RP接口）
GND——GND（RP接口）
供電接口
12V外接供電電源連接到VIN1或VIN2，驅動器電源也連接至VIN1或VIN2，注意正負極。
步進電機連接轉接板，如下圖。
軟件生態
X-SOFT軟件生態，X-API文件如下。
ax_step.c——X-CTR100 步進電機操作源文件
ax_step.h——X-CTR100 步進電機操作頭文件
X-API接口函數如下：
void AX_STEP_Init(void); //STEP 步進電機初始化 void AX_STEP_SetEnable(uint8_t en); //STEP 步進電機使能控制 void AX_STEP_SetSpeed(int16_t speed); //STEP 步進電機轉速控制 |
控制方法采用硬件定時器TIM1實現，通過在定時器中斷中修改ARR周期，實現頻率控制，通過CCR1實現50%占空比控制。
速度控制AX_STEP_SetSpeed()接口函數實現。
/** * @簡 述 STEP 步進電機轉速控制 * @參 數 speed：電機轉速，脈沖頻率，單位20Hz，即1為20Hz，100為2000Hz，范圍±5000 * 實際電機轉速，與電機步距角，細分設置相關，例如1.8°電機，32細分，轉動一圈需要200x32個脈沖。 * @返回值 無 */ void AX_STEP_SetSpeed(int16_t speed) { if (speed > 0) { //設置方向 GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);
//計算速度 step_period = 50000 / speed; //20hz = 1S/
//初始化定時器 TIM1->ARR = step_period - 1; TIM1->CCR1 = step_period >> 1;//周期的一半 TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE); //MOE 主輸出使能 TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); } else if (speed < 0) { //設置方向 GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);
//計算速度 step_period = 50000 / (-speed);
//初始化定時器 TIM1->ARR = step_period - 1; TIM1->CCR1 = step_period >> 1;//周期的一半 TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE); //MOE 主輸出使能 TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); } else { TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, DISABLE); TIM_Cmd(TIM1, DISABLE); } } |
軟件說明
主程序，實現步進電機變速正轉、變速反轉、和停止，串口有提示信息輸出，主程序代碼如下。
int main(void) { int16_t i;
//X-CTR100初始化 AX_Init(115200); printf("***X-CTR100 步進電機控制例程***\r\n\r\n");
//模塊初始化及配置 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); AX_STEP_Init(); //初始化步進電機 AX_STEP_SetEnable(1);
while (1) { printf("*步進電機正方向轉動測試\r\n\r\n"); //加速 for (i = 0; i <= 2000; i += 2) { AX_STEP_SetSpeed(i); AX_Delayms(2); } //恆速 AX_Delayms(3000); //減速 for (i = i; i >= 0; i -= 2) { AX_STEP_SetSpeed(i); AX_Delayms(2); } AX_Delayms(1000);
printf("*步進電機反方向轉動測試\r\n\r\n"); //加速 for (i = 0; i <= 2000; i += 2) { AX_STEP_SetSpeed(-i); AX_Delayms(2); } //恆速 AX_Delayms(3000); //減速 for (i = i; i >= 0; i -= 2) { AX_STEP_SetSpeed(-i); AX_Delayms(2); } AX_Delayms(1000);
printf("*步進電機零轉速和關閉使能測試\r\n"); printf("*零轉速，有維持力矩\r\n"); AX_Delayms(3000); printf("*關閉使能，無維持力矩\r\n\r\n"); AX_STEP_SetEnable(0); AX_Delayms(3000); AX_STEP_SetEnable(1);
} } |
實現效果
打開X-Assistant軟件，可以看到電機運行提示信息，DRV8825調節至32細分。
電機首先加速正轉，后恆速運行，后減速到停止；再次電機反轉，后恆速，后停止。
然后電機停止轉動，此時保持維持力矩；最后關閉使能，維持力矩消失，電流減小。
總結
本文實現了X-CTR100控制器控制步進電機精確轉動，實際步進電機系統因項目不同差異較大。
有些步進電機系統的控制遠遠比該例程復雜，一般包括精確位置閉環控制，相應速度控制，S曲線控制等。
本文采用基礎框架是步進電機通用編程框架，復雜功能可以根據項目需要在此基礎上添加。
參考
http://www.3dprinter-diy.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1330
https://reprap.org/wiki/A4988_vs_DRV8825_Chinese_Stepper_Driver_Boards
雷賽科技·步進電機及驅動器知識講座