Arduino半步步进电机驱动器L298N

描述

半步电机驱动器

该项目是如何更准确地驱动双极步进电机的示例。驱动是通过软件切换 IO（bitbanging）并使用 Arduino MKR 的 PWM 定时器来完成的。对于半桥，我们使用 ST L298N 。

为什么是半步？

双极步进电机通常通过切换线圈进行四相步进。添加中间步骤使其更加准确和平滑（但扭矩会小一些）。这是一个有趣的链接，用于说明整步和半步之间的区别。我们将切换以下图表：

 

 

 

 

 

1 / 2 •半步状态

 

我们总共有 8 个状态，一个接一个地对微步进行排序。每个序列状态的时间将定义切换速度和电机速度。通过将线圈序列之一相移 180 度（4 微步），方向很容易控制。

Bitbanging 和 PWM

使用的 L298N 电机驱动器可以驱动全桥 MOSFET 并切换线圈电流的正向、负向（或关闭）。

 

 

 

 

 

1 / 2 •全桥 MOSFET

 

这是通过软件 IO 切换 - 位转换 - IN1/IN2 和 IN3/IN4 输入来完成的。L298N 驱动器是内部设置的，以防止通过 IN 信号上的反相输入门在一条腿上出现捷径 - 很好 :)。也可以用 PWM 信号驱动电桥使能信号 ENA/ENB，在线性区域稍微控制电流。这是由 Arduino Micro 的硬件完成的。MKR 版本有一个 ATSAMD21，可以产生 25Khz PWM 信号。有关详细信息，请参阅我的其他高速 PWM 项目。L298N 驱动程序在Arduino Motor Shield Rev3上设置，它将数字 IO 和感应 IO 连接到模拟输入，因此我们可以测量通过电机的电流。还将使用外部电源 (12V) 并在电机护罩上提供支持。（重要：拆焊 Vin 连接！）我们使用MKR2UNO转换板将它们连接在一起。

NEMA 17 步进器

对于这个项目，我们使用 NEMA 17 格式的双极步进电机。它有 200 步（每步 1.8 度），但使用半步驱动需要 400 步转一圈。每个线圈的最大电流为 0.75A，我们通过 SenseA 以 1.65V/Amp 测量 CoilA 上的电流。

软件代码

Arduino 代码写在一张草图中。我使用全局变量来定义关键数据，例如：

• Sequencer[7][8]：每个驱动信号的 8 个 ustep 状态的序列。

• CurrentArray0[32]：用于监视电流和计算锁定的滚动数据

• ShadowArray[512]：调试数据数组，用于绘制电流图

关键例程如下，代码中自解释：

• MotorLoop(int lps, int dir)：驱动电机在任何方向上进行 x 步

• int CalcArray()：计算锁定状态，返回%电流偏差（*10）

• MotorPowerDown()：通过关闭半桥关闭电机。（无电流）

• DataDump()：通过串口转储监控和调试数据

• SetupPWMTimers()：在引脚 3 和 11（ENA 和 ENB）上设置 25Khz PWM 信号

电机回路

电机回路正在读取序列发生器阵列，写入 IO（EN1/EN2、EN3/EN4）并写入 PWM 占空比（ENA/ENB）。以微秒为单位的相位延迟也在定序器阵列中。方向是通过将 CoilB 的数组索引移动 0 或 4 来完成的。第一圈还有一个启动序列 (#define MOTORSTART)。它的启动速度稍慢（扭矩更大），然后按照编程保持在正常速度。

锁定监控

关键是理解锁仓计算。该程序在每第 3 个序列状态（最大电流驱动）中测量 CoilA 中的电流，并将其保存在监控数组中。然后计算当前*时间偏差。为什么？> Current*Time与Watt*Time成线性关系（假设电压恒定），相当于Newton*Meter，也就是系统中的能量变化量（焦耳）。测量这种能量变化并触发超过某个值，就会触发锁定。锁定触发器在代码中定义 (#define MOTORLOCK)

你的马达？

对于每个电机，此电流*时间行为都会不同。要理解这一点，您可以转储测量的电流数据（用分号分隔），并将其复制粘贴到 Xls 表，制作数据表，计算触发器和图表：

 

 

 

 

 

1 / 2 • ShadowBuffer[512] 当前数据到 Xls

 

当以不同的 PWM 电平或其他时序速度驱动时，您会在测量中看到严重的斩波尖峰。有一个设置可以使电流尖峰达到一定水平以上。(#define PEAKFILTER)，改变并尝试。:)