基于ArduAo單片機的步進電機控制設計

□ 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，其采用價格低廉的處理器，可直接USB供電，其編程語言是基于C語言開發的一種易于無編程語言基礎的學者掌握的語言。步進電機是根據脈沖信號運動的動力裝置，其控制方便、價格低廉、方便控制的優點使其在家用電器、工廠自動化中廣泛采用。現有的步進電機控制機構結構復雜，非專業人員難以掌握。將ArduAo的優點充分與步進電機結合，可以組成價格低廉，易于非專業人員控制的步進電機控制機構。本文就是基于ArduAo設計的通過計算機控制并顯示轉速的一款控制機構。

二、ArduAo簡介

單片機是把微型計算機的主要原件集成在一塊相對計算機小很多的芯片上的微型計算機。由于單片機的集成設計，精簡了結構，信號傳輸的路徑縮短，使其運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動程序，然后將其上傳到ArduAo的硬件就可以控制單片機控制做要求的指令。另一部分是基于Atmega328單片機的硬件部分。由于ArduAo已經將基本的原件結合在一起，可以使用其直接讀取各種傳感器的信號，方便不了解電路知識的學者操作。

ArduAo的參數:Digital I/O數字輸入/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。管腳說明:GND 接地;3．3V、5V 電源輸出;0A、1A、2A、3A、4A、5A模擬輸入兼數字輸入輸出端;0至13數字輸入輸出端。

三、步進電機簡介

(一)步進電機原理。一般情況下電機轉子為永磁體，當電流通過定子時會產生磁場。定子受到磁力時會旋轉一定角度。同時轉子也會隨著磁場轉動。每輸入一次信號，電機就旋轉一定角度。電機的轉速與脈沖頻率正相關。繞組的通電順序決定轉向。根據其原理，可以調節信號的頻率、長度來調節電機的轉速和旋轉角度。

(二)步進電機的參數。相數:線圈組對數;拍數:實現磁場周期性變化的脈沖數;步距角:每個脈沖信號所驅動角度;定位轉矩:斷電時轉動電機所需的力矩;靜轉矩:電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。

四、硬件電路設計

設計使用的硬件有28BYJ-48步進電機，ArduAo UNO型號的ArduAo硬件，ULN2003A型號步進電機驅動芯片。各個引腳的鏈接方式如表1。

表1 單片機與驅動模塊引腳連接

五、軟件設計

采用ArduAo IDE軟件進行控制語言的編程。首先編寫控制引腳輸入信號的順序，采用八拍控制，然后讀取計算機輸入數值，從而實現對電機的速度控制，最后單片機回饋電機轉速，并顯示在計算機屏幕上。

六、結語

本文創新點在于在步進電機的額定工作情況下，可以隨意調節步進電機的轉速，彌補了當前主流控制機構只能有級調速的缺點，本控制機構可以對步進電機進行無級變速控制，還可以實時輸出步進電機的角速度。

［1］趙英杰．ArduAo互動設計入門［M］．北京:科學出版社，2014

［2］王秀和．永磁電機［M］．北京:中國電力出版社，2007

［3］馮江華，陳高華，黃松濤．異步電動機的直接轉矩控制［J］．電工科學報，1999

［4］黃文凱．ArduAo開發實戰指南［M］．北京:機械工業出版社，2014

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