让电机动起来！Arduino驱动步进电机教程

1. 简述

平时咱们会遇到不一样种类的电机，主要常见的是步进电机，无刷直流电机，有刷直流电机，其实这几种电机的工做原理相似，都是用电流产生磁场吸引电机里的转子旋转，这也就是为何咱们用一些电机驱动芯片（并非全部的驱动）能够驱动一个步进电机或者两个直流电机。这篇博客主要是讲什么是步进电机以及如何驱动步进电机，如何设置定时器。若是你们对个人博客有任何疑问，欢迎你们和我讨论。

2. 所需的电子元件

• Arduino
• A4988 电机驱动
• NEMA (17HS16-2004S1)步进电机
• 电压源

电路图以下（摘自Pololu A4988，连接）：

我搭出来的电路的模样：

3. 步进电机和电机驱动

3.1 datasheets

首先咱们须要研究一下步进电机和它的驱动的datasheet。

3.1.1 步进电机的datasheet

我用第一张图给你们简单地讲解下步进电机是如何工做的：2A和2B是一条“导线”的两端，1A和1B是另一条“导线”的两端，经过把这两条导线在电机内缠绕，会让他们在通电的时候各自产生磁场。磁场的方向根据洛伦兹法则能够得出，和电流的方向，绕线的方向有关。产生的磁场会吸引电机内部中心的转子旋转。经过两根导线交替产生不一样方向的磁场，以此来吸引转子周而复始的旋转。更多的你们能够百度。

下面这张图是NEMA (17HS16-2004S1)的datasheet：

咱们注意到在上图的电机datasheet里面额定电压是2V，额定电流是2A每一个Phase，这个Phase指的就是上面提到的2A/2B或者是1A/1B的导线。咱们应该如何理解这里的额定电压和电流？它们指的是：当我给2A和2B端或1A和1B端加上2V的电压，会有2A的电流流过导线，根据欧姆定律，咱们获得导线两端的电阻是1欧（在datasheet上，Resistance/Phase那一行也写着1欧姆）。

因此咱们可不能够认为交替地在2A/2B和1A/1B上加上2V的电压就可让电机转动？答案是：是的。咱们加的是额定电压，固然可让电机转动。但问题是电机不会有足够的转速和扭矩，缘由是根据法拉第电磁感应定律，除了咱们电压所产生的电流外，还会有电磁感应产生的电流，而电磁感应的电流和电压所产生的电流是反向的，所以虽然咱们在导线两端加上了额定电压，可是在最初的一段时间内，获得的电流会比额定电流少不少。若是电流不够大，那么产生的磁场是不够移动转子的。这时候咱们想到的办法是：能够提升加在导线两端的打压来抵消由磁场产生的反向电流，而电机的驱动就是提升两端的电压，一般能够提升到额定电压的10倍，固然咱们须要限制驱动芯片提供给电机的电流，这个咱们后面会更详细地说。

3.1.2 步进电机驱动datasheet

市面上有不少步进电机的驱动，除了此次用的A4988，还有A3988，DRV8871等等。它们的工做方式也类似，都是1）在电机每一个Phase两端加几倍于额定电压的电压值，2）控制每一个Phase的最大电流，这样的步进电机驱动被称为chopper driver，就是说为了提供不超过某个上限电流，它会在特定的时间点中止为电机提供电压。以下图所示：

能够看到图中，当电流超过了上限值I，驱动就会中止提供电压，这时由于磁场做用，电流并不会瞬间为0，而是会逐渐减少（时间常数 = LR）。当电流小于上限值I，驱动又会从新提供电压。因此经过这种达到，既在电机每一个Phase两端提供了高电压，又控制了电流。根据上面电机的datasheet中的AMP/PHASE，咱们获得咱们须要保证每一个Phase的电流不超过2A。

下面咱们来看看A4988的datasheet：
首先咱们须要弄懂的是，Arduino应该如何让驱动开始驱动步进电机工做。以下图所示：

和第一张图对应，STEP须要输入脉冲信号（最上面RESET信号，我认为标识错了，由于STEP和下面的Phase1，Phase2都是正常工做时的样子）。电机驱动会控制电流输出，图中的Phase1和Phase2。有几点咱们能够注意到，首先每次STEP的上升沿，是Phase1或者Phase2发生变化的地方，并且STEP在每一个上升沿只会有一个Phase发生方向的改变。好比第二个上升沿，Phase 1的电流仍是70.71%，而Phase 2的电流就从-70.71%改变到+70.71%，这里的正负号表明电流的方向，这个是和步进电机的机械结构相关的，好比咱们不会把步进电机从0度直接到180度，而是会0度先到90度，再到180度。第二点，咱们能够想到，若是想加快电机的转动速度，咱们须要作的就是减小每一个脉冲的宽度，固然这个脉冲的宽度会有最小值，最小值在于当咱们设置了某个脉冲宽度，电机驱动在没有等到电机中的转子转到指定的位置的时候，就产生了下一次的脉冲，换句话说就是机械装置还没来得转到合适的地方，电信号就产生改变。第三点，Phase1和Phase2的电流能够有如下这四种组合，(Phase1, Phase2) = (+70.71%, +70.71%), (+70.71%, -70.71%), (-70.71%, -70.71%), (-70.71%, +70.71%)，每个组合表明了转子的一个旋转位置，从一个组合到下一个组合会使得转子从当前位置旋转到下一个位置。

如今咱们知道咱们须要PWM(脉冲方波)发送给驱动，这样驱动产生合适的电流控制电机了。下一步咱们须要搞懂的是如何设置最大的电流上限，根据电机的datasheet，咱们知道每一个Phase的最大电流不能够超过2A。以下图截取自A4988 datasheet：

根据上面的截图，咱们知道 Imax = Vref / (8 * Rs)。在pololu的A4988 的电路图以下图因此：

Rcs是68毫欧，Vref有一个链接一个滑动变阻器组成一个分压电路，因此咱们须要用保证Vref 不高于1.088V便可。

具体方法你们能够百度，把滑动变阻器调节到合适的位置便可，好比参考这个连接。

4. 硬件定时器

如今咱们来讲说，Arduino如何产生PWM脉冲。嵌入式的定时器是很是有用的功能，不少东西都是在定时器的基础上搭起来的，好比说操做系统。Arduino使用的是Atmel328P芯片，你们能够下载Atmel328P的芯片手册，这款芯片上一共有三个定时器，两个8-bit timer，一个16-bit timer。我选择的是8-bit的TIMER2。想了解定时器的功能和寄存器功能的话，能够读一下atmel328p datasheet。我在这里主要和你们介绍下这个定时器不一样的计数方式，参考TCCR2A里的WGM21和WGM20，TCCR2B里的WGM22。TIMER2能够控制两个GPIO来产生PWM输出，分别是OC2A和OC2B。

• Normal Mode

第一种是正常工做的模式，这时8bit的计数寄存器会从0计数到255，而后返回0，从新计数。我设置计数器使用Normal mode，每62.5ns计数一次。每次compare match的时候就toggle OC2A和OC2B pin，OCR2A = 64, OCR2B = 192，因此当计数器计数到64时，会toggle OC2A pin，计数到192时，会toggle OC2B pin。

能够想象到，计数256次(62.5ns * 256 = 16us)，OC2A和OC2B会toggle一次，并且OC2A和OC2B toggle的时间会相差128次计数，由于OCR2A和OCR2B相差了128。

产生的波形以下图，里面的黄色和蓝色的波形表明OC2A和OC2B pin上产生的电压，测量点A到测量点B是toggle两次的时间(16us*2 = 32us)：

• PWM, Phase Correct (Mode 1)

第二种计数模式是PWM Phase Correct模式。在计数方式上，它会从0计数到255，而后再从255到0。而它是PWM 模式的，和第一种的区别就在于，咱们能够设置当计数到255和到compare match的时候OC2A, OC2B pin的电平高低，从而控制脉冲的宽度。

产生的波形以下图，OCR2A = OCR2B = 32，一个pin设置为compare match时设高电平，0xFF时设低电平；另一个相反，compare match时低电平，0xFF时高电平。从测量点A到测量点B的时间应该是计数器从32->255->32，一共447*62.5us=27.9us。

• CTC

第三种计数模式是CTC模式。这种模式的计数方式是从0到OCRA，再返回0，所以与第一种normal mode不一样的是，这种模式能够到OCRA而不是0xff，换句话说是周期是能够调整的。若是是toggle pin的话，duty cycle通常是固定的50%(固然能够产生中断从新设置OCRA寄存器从而改变周期)。

产生的波形以下图，OCR2A = 64，OCR2B = 10，OC2A和OC2B都是toggle，因此当计数器counter等于64时，OC2A 会toggle而后计数器清零，当计数器counter等于10的时候，OC2B会toggle，但并不影响计数器继续计数。A 和B的周期都应该是(62.5*64 = 4us)

• Fast PWM(Mode 3)

第四种是Fast PWM模式，且在0xFF清零。这种和第二种PWM, Phase Correct (Mode 1)很是类似，只不过计数方式是从0到255再返回0。

产生的波形以下图，OCR2A = OCR2B = 32，一个pin设置为compare match时设高电平，0xFF时设低电平；另一个相反，compare match时低电平，0xFF时高电平。从测量点A到测量点B一共是一个周期，就是256*62.5 = 16us

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

第五种和第六种我放在一块儿，由于两种模式比较类似，这两种产生的波形的周期和duty cycle均可以很是方便地改变。
拿Fast PWM(Mode 7)举例来讲，由于在计数器和OCRA同样的时候会清零，并且得决定在compare match和清零的时候发生什么事(参考WGM和COM bit)，因此OCA pin是没法输出PWM波的（清零和compare match在一块儿）。咱们一般把OCR2A和OCR2B配合只用，OCR2A决定周期，OCR2B决定duty cycle，OC2B pin产生所须要的PWM波形，好比说我要产生一个周期是8usec(62.5nsec128)，duty cycle 25%（62.5nsec32），可让OCR2A = 128, OCR2B = 32，而后设置在清零时置OC2B高电平，compare match时置低电平。

产生的波形以下图所示：

以上讲的全部类型的PWM设置的代码都在GitHub上，你们能够任意下载修改测试。GitHub Repo连接。

5. PWM驱动电机

到目前，咱们已经知道硬件该如何链接，该如何设置最大电流，该如何设置Atmel328P的PWM。

我使用了Timer2 Fast PWM (Mode 7)来产生周期可变的PWM信号，这样能够方便地让电机开始时从最慢逐渐变快，在电机要停下来的时候从最快的速度逐渐变慢直到中止，这样能够增大电机的扭矩和稳定性。

整个控制步进电机的代码在GitHub上，连接