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  • uln2003驱动步进电机
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    2022-05-04 15:29:36

    【Proteus仿真】Arduino UNO+ uln2003驱动步进电机+按键启保停控制


    • Proteus演示
      在这里插入图片描述
    • 功能说明

    加减速采用外部中断引脚2和3实现调速控制,调速方位,110-250,也就是代码中的delay(Speed)中的参数,IO4控制启动和停止。

    程序源码

    
     #define LED ( 13 )
     #define MOTOR_PIN0 
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    万次阅读 多人点赞 2020-12-24 11:29:01
    最近整理东西,突然发现以前买的一个步进电机模块,以前使用5V单片机驱动的。突然想试试能不能用STM32F103单片机的3.3V直接驱动ULN2003这个芯片。 试了一下ULN2003可以用3.3V电压直接驱动。下面分享下电机驱动的...

          最近整理东西,突然发现以前买的一个步进电机模块,以前使用5V单片机驱动的。突然想试试能不能用STM32F103单片机的3.3V直接驱动ULN2003这个芯片。

    试了一下ULN2003可以用3.3V电压直接驱动。下面分享下电机驱动的过程。

    先看看实物图

    单片机使用的是STM32F103C8T6最小系统。电机和驱动板是网上买的整套模块。

    驱动板的原理图如下

            步进电机使用的是5线4相直流减速步进电机   直径:28mm  电压:5V  步进角度:5.625 x 1/64  减速比:1/64

           步距角:5.625 / 64 = 0.087度 (也就是说理论上,你给一个脉冲,电机外部轴转动0.087度)也就是说一个脉冲内部转子转5.625度,但是由于减速64倍,所以外部轴只转了0.087度那么外部轴要转一圈的话,需要360/0.087=4096个脉冲。采用4相8拍驱动的话,8个脉冲是一个周期,那么就需要4096/8=512个周期,外部轴刚好转一圈。

        电机的驱动一般分为3种方法

        一.  1相励磁法:每一瞬间只有一个线圈相通,其它休息。

              (优点)简单,耗电低,精确性良好。

             (缺点)力矩小,振动大,每次励磁信号走的角度都是标称角度。  1相励磁法  A->B->C->D

       二、 2相励磁法:每一瞬间有两个线圈导通。

             (优点)力矩大,震动小。

             (缺点)每励磁信号走的角度都是标称角度。2相励磁法  AB->BC->CD->DA

       三、 1-2相励磁法:1相和2相交替导通。

               (优点)精度较高,运转平滑,每送一个励磁信号转动1/2标称角度,称为半步驱动。(前两种称为4相4拍,这一种称为4相8拍)

                1-2相励磁法  A-->AB-->B->BC->C-->CD->D-->DA

    下面就用代码来实现这三种方式

           ULN2003这个小驱动板上IN1、IN2、IN3、IN4四个插针和单片机的 IO口直接用杜邦线连接,为了方便控制,首先定义好要使用的 IO口。就直接在LED的工程上修改。

           首先新建一个bsp_motor.h的头文件,在头文件里面进行端口声明。

    #define LA    PBout(6) 			//A 相
    #define LB    PBout(7) 			//B 相
    #define LC    PBout(8) 			//C 相
    #define LD    PBout(9) 			//D 相
    
    /* 定义电机连接的GPIO端口, 用户只需要修改下面的代码即可改变控制电机的引脚 */
    #define LA_GPIO_PORT    	GPIOB		                /* GPIO端口 */
    #define LA_GPIO_CLK 	    RCC_APB2Periph_GPIOB		/* GPIO端口时钟 */
    #define LA_GPIO_PIN			GPIO_Pin_6
    
    #define LB_GPIO_PORT    	GPIOB
    #define LB_GPIO_CLK 	    RCC_APB2Periph_GPIOB
    #define LB_GPIO_PIN		    GPIO_Pin_7
    
    #define LC_GPIO_PORT    	GPIOB
    #define LC_GPIO_CLK 	    RCC_APB2Periph_GPIOB
    #define LC_GPIO_PIN		    GPIO_Pin_8
    
    #define LD_GPIO_PORT    	GPIOB
    #define LD_GPIO_CLK 	    RCC_APB2Periph_GPIOB
    #define LD_GPIO_PIN		    GPIO_Pin_9
    

           这里使用PB口的6、7、8、9四个端口来控制,端口使用了位带定义的方法,这样用程序控制起来更方便。关于位带定义可以自己查阅相关资料。端口和时钟都使用了宏定义重新命名。这样以后需要更改IO口的时候,只需要在头文件中更改,不需要更改程序中的代码,方便程序移植。  

          下面开始编写驱动代码,首先使用1相励磁法,也就是使4个IO口轮流为高电平,可以直接使用位带操作,依次给LA、LB、LC、LD给高电平。但是这样写的话每一种驱动方式都要写一个驱动函数,为了使操作起来更方便,将这4个口的值组成一个字节,并存在数组中,通过下标轮流调用数组中的数就行。这里将LA作为字节得最低位bit0,将LD作为字节第3位bit3。

           这样电机导通相序为  D-C-B-A时,定义数组中的值为

    u8 phasecw[4] = {0x08, 0x04, 0x02, 0x01};

           电机导通相序为   A-B-C-D 是,数组中的值为

    u8 phaseccw[4] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08};

    下面新建bsp_motor.c文件,并在里面编写一个函数来调用这个数组就行了

    void MotorCW( void )
    {
        u8 i;
        u8 temp = 0;
        for( i = 0; i < 4; i++ )
        {
            temp = phasecw[i];
    
            LD = ( temp >> 3 ) & 0x01;							//取bit4的值
            LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;
            LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;
            LA = ( temp >> 0 ) & 0x01;							//取bit0的值
            delay_ms( 2 ); 										
        }
    }

            通过一个for循环,依次读取数组中的值,然后根据A、B、C、D四相的位置,去读取对应位的值,直接赋值给 IO口。这样电机驱动的函数就写好了,在主程序中直接调用这个函数就可以控制电机转动了。

           如果要改成 2相励磁法驱动的话,直接替换数组中的数据就行。

    u8 phasecw[4] = {0x0c, 0x06, 0x03,0x09};   //正转 电机导通相序  DC-CB-BA-AD
    u8 phaseccw[4] = {0x03, 0x06, 0x0c, 0x09}; //反转 电机导通相序  AB-BC-CD-DA

           如果要改成 1-2相励磁法,依然是直接修改数组中的值就行。

    u8 phasecw[8] = {0x08, 0x0c, 0x04, 0x06, 0x02, 0x03, 0x01, 0x09}; //正转 电机导通相序  D-DC-C-CB-B-BA-A-AD
    u8 phaseccw[8] = {0x01, 0x03, 0x02, 0x06, 0x04, 0x0c, 0x08, 0x89}; //反转 电机导通相序  A-AB-B-BC-C-CD-D-DA
    

          通过 1-2相励磁法控制的话,每次需要发送8个脉冲,也就是4相8拍,这样一个周期需要发送8个数组,要在for循环中将循环数量改为8。

    void MotorCW( void )
    {
        u8 i;
        u8 temp = 0;
        for( i = 0; i < 8; i++ )
        {
            temp = phasecw[i];
            LD = ( temp >> 3 ) & 0x01;							//取bit4的值
            LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;
            LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;
            LA = ( temp >> 0 ) & 0x01;							//取bit0的值
            delay_ms( 2 ); 										
        }
    }

    然后在主程序中直接调用这个函数就可以让电机转起来了。

    int main( void )
    {
      
        NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );
       
        Motor_GPIO_Config();
        while ( 1 )
        {      
          MotorCW();   
        }
    }

    这样看来驱动电机是很简单的用keil模拟的仿真波形

    1相励磁法  D-C-B-A

    2相励磁法 DC-CB-BA-AD

    1-2相励磁法 D-DC-C-CB-B-BA-A-AD

    波形和理论相符,说明驱动是正确的。

    到这里应该就结束了,但是又手贱的给主程序加了个LED闪灯的程序,这一加出事了。

    int main( void )
    {
        u16 cnt = 0;
        NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );
        LED_GPIO_Config();
        Motor_GPIO_Config();
        while ( 1 )
        {
            LED1_TOGGLE;
            MotorCW();
    	    delay_ms(20);
        }
    }

    主程序中加了一个20ms的延时,同时让LED灯翻转。程序烧进去之后,发现电机不转了。这是怎么回事?赶紧看看仿真波形。

           这一看发现了问题,A项的波形怎么高电平突然变长了?

    u8 phasecw[4] = {0x08, 0x04, 0x02, 0x01};

            数组中依次给的值是8、4、2、1,也就是D、C、B、A相依次为高电平,其他三相高电平只持续了2ms,但是A相的电平持续了20多ms,这是什么原因?仔细分析程序执行流程后发现了问题所在。在for循环中依次给4个相赋值,A相位最后一个赋值,当给A项赋值时,其他3项为低电平,A项为高电平,然后程序退出for循环,回到主程序中,此时又执行了20ms的延时,这时A项的电平还是最后一次赋值的高电平。将这20ms延时去掉后,电机正常运转,波形也正常了。也就是说就是这个延时影响了电机的转动。

           那么主程序中就不能用延时了吗?LED闪烁功能都实现不了了吗?还能让一个电机驱动程序把单片机霸占了不成?这当然是不行了,一定要将这个问题的根源找到,既然是最后一次给A项赋值后,A项高电平没有复位,那么就手动让A项复位。强制让A项的电平归零。

        在增加一个复位的函数

    void MotorStop( void )
    {
        LA = 0;
        LB = 0;
        LC = 0;
        LD = 0;
    }

          这个函数强制的将四相复位,然后在电机驱动的时候,每次执行完一个周期,就强制让这4项复位。

    void MotorCW( void )
    {
        u8 i;
        u8 temp = 0;
        for( i = 0; i < 4; i++ )
        {
            temp = phasecw[i];
    
            LD = ( temp >> 3 ) & 0x01;							//取bit4的值
            LC = ( temp >> 2 ) & 0x01;
            LB = ( temp >> 1 ) & 0x01;
            LA = ( temp >> 0 ) & 0x01;							//取bit0的值
            delay_ms( 2 ); 													
        }
        MotorStop(); //一个周期转动结束后需要复位所有相,否则最后一项如果被设置为高电平后会持续维持高电平。
    }

         增加复位功能后,主程序中依然加上20ms延时,继续仿真查看波形。

            这下波形正常了,下载程序后电机也缓慢转动起来了,LED灯也开始闪烁了。说明刚开始驱动时只想到了相位的逻辑,但是没有考虑到相位复位的问题,考虑问题还是不全面。

           下来在主程序中加上电机正反转功能,让电机正转一圈,然后又反转一圈。

    int main( void )
    {
        u16 cnt = 0;
        NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );
        LED_GPIO_Config();
    
        Motor_GPIO_Config();
        while ( 1 )
        {
            cnt++;
    
            if( cnt <= 512 )							//采用4相8拍,512个周期刚好是一圈
                MotorCW();								//正转
            else if( cnt <= 1024 )
                MotorCCW();								//反转
            else
            {
                cnt = 0;
                LED1_TOGGLE;
                delay_ms( 500 );
            }
        }
    }

           这里采用4相8拍驱动,8个脉冲是一个周期,那么就需要4096/8=512个周期,外部轴刚好转一圈。计数器小于512时正转,计时器在512和1024之间时反转。然后LED灯翻转一次,在延时500ms。 这里还要注意一个问题,在电机驱动函数中,每个脉冲的延时时间经过实际测试不能小于2ms,延时太小的时候,电机抖动严重,但是不会转动。延时越大,电机转动越慢。

         到此电机驱动程序已经完美运行了。

          完整工程下载地址 STM32F103单片机+ULN2003驱动直流电机

    展开全文
  • ULN2003驱动步进电机_2013.8.10.pdf
  • 【Proteus仿真】Arduino UNO利用Stepper库实现uln2003驱动步进电机转动

    【Proteus仿真】Arduino UNO利用Stepper库实现uln2003驱动步进电机转动


    • Proteus仿真
      在这里插入图片描述

    Proteus说明

    • Proteus软件里面的步进电机的步距角默认是90,和代码中的const int stepsPerRevolution = 4; 对应。
      在这里插入图片描述

    Arduino IDE编译说明,本示例需要修改库的源文件才行。Stepper 库是Arduino IDE自带的库,但是该库源代码的驱动的相序是不一样的,为了驱动28BYJ-48步进电机和匹配Proteus软件里面的步进电机组件,修改相关代码如下:

    文件位置:C:\Users\Administrator\Documents\Arduino\libraries\Stepper\src,中的Stepper.cpp源文件,第257行-278行,修改如下,就是调整引脚高低电平顺序。

    展开全文
  • STM32控制ULN2003驱动步进电机28BYJ-48

    千次阅读 多人点赞 2021-04-27 16:23:59
    传送门:一文搞懂步进电机特性、原理及驱动器设计 28BYJ-48步进电机 28BYJ-48永磁式减速单极性步进电机 28:步进电机的有效最大外径是28毫米 B:表示是步进电机 Y:表示是永磁式 J:表示是减速型(减速比1:64) 48...

    步进电机

    步进电动机又称脉冲电动机,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,转速与脉冲频率成正比。
    传送门:一文搞懂步进电机特性、原理及驱动器设计

    28BYJ-48步进电机

    在这里插入图片描述

    28BYJ-48永磁式减速单极性步进电机

    • 28:步进电机的有效最大外径是28毫米
    • B:表示是步进电机
    • Y:表示是永磁式
    • J:表示是减速型(减速比1:64)
    • 48:表示四相八拍
      传送门:28BYJ-48单极性步进电机

    28BYJ-48步进电机的励磁方式

    在这里插入图片描述

    • 1相励磁

      励磁控制:一瞬间步进电机只有一个线圈导通,没送一个励磁信号,步
      进电机转动一个角度。
      特点:精确度好,消耗电力小,但输出转矩最小,振动较大。

    • 2相励磁

      励磁控制:一瞬间步进电机有两个线圈导通。
      特点:输出转矩最大,振动较小。

    • 1-2相励磁

      励磁控制:1相励磁和2相励磁交替导通。
      特点:分辨率高,运转平滑,应用广。

    28BYJ-48采用以上方式都可行,相较1相励磁和2相励磁来说,1-2相励磁方式应用更广。1-2相励磁驱动28BYJ-48获得更小的步进角度,运转更平滑,但同时28BYJ-48的转矩会随着1-2相励磁交替改变。

    ULN2003

    在这里插入图片描述

    ULN2003驱动板
    ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

    在这里插入图片描述

    ULN2003驱动原理

    在这里插入图片描述

    ULN2003驱动28BYJ-48接线

    在实际使用中,只需要使用单片机的IO接ULN2003驱动板的IN1-IN4即可,当然,单片机和模块需要共地。

    代码实现

    (使用STM32F103C8最小系统板)

    • 创建step_motor.c和step_motor.h文件,并在step_motor.h中进行宏定义4个IO口,如下:
    /* 宏定义 ------------------------------------------ */
    /* 步进电机1参数宏 */
    #define LA PAout(1)     /* A相 */
    #define LB PAout(2)     /* B相 */
    #define LC PAout(3)     /* C相 */
    #define LD PAout(4)     /* D相 */
    
    /* A相 */
    #define LA_GPIO_PORT    GPIOA
    #define LA_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
    #define LA_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
    /* B相 */
    #define LB_GPIO_PORT    GPIOA
    #define LB_GPIO_PIN     GPIO_Pin_2
    #define LB_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
    /* C相 */
    #define LC_GPIO_PORT    GPIOA
    #define LC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_3
    #define LC_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
    /* D相 */
    #define LD_GPIO_PORT    GPIOA
    #define LD_GPIO_PIN     GPIO_Pin_4
    #define LD_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
    
    • 在step_motor.c中初始化端口,代码如下:
    /**
     * @name: Step_Motor_Init
     * @description: 步进电机初始化端口
     * @param {*}
     * @return {*}
     */
    void Step_Motor_Init(void)
    {
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
        RCC_APB2PeriphClockCmd(LA_GPIO_CLK | LB_GPIO_CLK | LC_GPIO_CLK | LD_GPIO_CLK, ENABLE);
    
        /* A相端口初始化 */
        GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
        GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LA_GPIO_PIN;
        GPIO_Init(LA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
        GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LB_GPIO_PIN;
        GPIO_Init(LB_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
        GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LC_GPIO_PIN;
        GPIO_Init(LC_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
        GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LD_GPIO_PIN;
        GPIO_Init(LD_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
        GPIO_ResetBits(LA_GPIO_PORT, LA_GPIO_PIN);
        GPIO_ResetBits(LB_GPIO_PORT, LB_GPIO_PIN);
        GPIO_ResetBits(LC_GPIO_PORT, LC_GPIO_PIN);
        GPIO_ResetBits(LD_GPIO_PORT, LD_GPIO_PIN);
    }
    
    • 在step_motor.c中宏定义或者枚举类型定义每个IO口或者是电机各个相的软件接通位。

      比如:

      • A相位定义为bit0,当A相导通的时候状态对应0x01;
      • B相位定义为bit1,当B相导通时位0x02;以此类推定义C相和D相;
    /* 私有类型定义------------------------------------------------- */
    typedef enum _PIN_BIT
    {
        PLA = 0x01,
        PLB = 0x02,
        PLC = 0x04,
        PLD = 0x08,
    } Pin_Bit;
    
    • 根据以上定义,很容易算1-2相励磁的时候各个步骤中的每相的状态,将状态组织成为数据,方便后续进行遍历,如下:

    只要在以上定义的数字之间,穿插加上一个数字,值为两边的数字求和;

    /* 私有变量定义------------------------------------- */
    static uint8_t steps[8] = {0x01, 0x03, 0x02, 0x6, 0x04, 0x0c, 0x08, 0x09};
    
    • 定义电机正转函数:
    /**
     * @name: Step_Motor_CW
     * @description: 电机正转函数
     * @param {uint32_t} nms
     * @return {*}
     */
    void Step_Motor_CW(uint32_t nus)
    {
        volatile uint8_t i;
        uint8_t temp = 0;
        for(i = 0; i < 8; i++)
        {
            temp = steps[i];
            LA = (uint8_t)((temp&PLA) >> 0);
            LB = (uint8_t)((temp&PLB) >> 1);
            LC = (uint8_t)((temp&PLC) >> 2);
            LD = (uint8_t)((temp&PLD) >> 3);
            
            delay_us(nus);
        }
        Step_Motor_Stop();
    }
    
    • 定义电机反转函数:
    /**
     * @name: Step_Motor_CCW
     * @description: 电机反转函数
     * @param {uint32_t} nms
     * @return {*}
     */
    void Step_Motor_CCW(uint32_t nus)
    {
        int i;
        for(i = 8; i > 0; i--)
        {
            LA = (uint8_t)((steps[i-1]&PLA) >> 0);
            LB = (uint8_t)((steps[i-1]&PLB) >> 1);
            LC = (uint8_t)((steps[i-1]&PLC) >> 2);
            LD = (uint8_t)((steps[i-1]&PLD) >> 3);
            
            delay_us(nus);
        }
        Step_Motor_Stop();
    }
    
    • 定义一个电机停转函数,为了让电机停止的时候每一相都断电,不然长期通电会使电机线圈发热严重:
    /**
     * @name: Step_Motor_Stop
     * @description: 电机停止
     * @param {*}
     * @return {*}
     */
    void Step_Motor_Stop(void)
    {
        LA = 0;
        LB = 0;
        LC = 0;
        LD = 0;
    }
    

    最后,在main.c中进行测试:

    int main(void)
    {
    	initSysTick();
    	LED1_Init();
    	Step_Motor_Init();
    
    	for(;;)
    	{
    		Step_Motor_CW(1000);
    	}
    }
    

    以上是STM32驱动ULN2003的简单过程,在使用此种方法的同时会带来严重问题:

    • 28BYJ-48非常慢,转动一圈需要4096步,如果每步之间需要1ms,一圈需要4.096s;
    • 在电机旋转函数中调用了delay_ms进行每步之间的保持时间,消耗cpu运行效率,阻塞其他任务执行;
    • 如果28BYJ-48转动10圈,那么相当于cpu在41s一直在执行电机相位切换和delay_ms函数,阻塞整个程序,不利于整个系统的稳定性;

    所以,如果想要系统及时稳定的处理其他问题,以上这样驱动ULN2003是不可取的,怎样才能在不影响系统及时稳定的前提下,驱动ULN2003呢?
    请看下节分析


    以上传送门:完整工程的驱动传


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