如何使用MATALB和Arduino開發(fā)板控制步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種無刷直流電機(jī)，可以分步旋轉(zhuǎn)，是許多精密運(yùn)動控制應(yīng)用的最佳選擇。此外，步進(jìn)電機(jī)適用于定位、速度控制和低速需要大扭矩的應(yīng)用。

在之前的MATLAB教程中，我們已經(jīng)介紹了如何使用MATLAB來控制直流電機(jī)、伺服電機(jī)和家用電器。今天我們將學(xué)習(xí)如何使用MATALB和Arduino開發(fā)板控制步進(jìn)電機(jī)。如果您是MATLAB的新手，那么建議您先學(xué)習(xí)使用MATLAB開始簡單的LED閃爍程序。

步進(jìn)電機(jī)的工作模式

在開始步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)代碼之前，您應(yīng)該了解步進(jìn)電機(jī)的工作或旋轉(zhuǎn)概念。由于步進(jìn)模式的定子由不同的線圈對構(gòu)成，因此每個線圈對可以以許多不同的方法激勵，這使得模式能夠以許多不同的模式驅(qū)動。以下是相對寬泛的分類：

●??全步模式（Full Step）

在全步激勵模式下，我們可以以最小的匝數(shù)（步長）實現(xiàn)完整的360°旋轉(zhuǎn)。但這會導(dǎo)致慣性減小，旋轉(zhuǎn)也不會平滑。在全步激勵中還有兩個分類，它們是一個相位接通方波步進(jìn)和兩個相位接通方波步進(jìn)模式。

1.? ? 一個相位步進(jìn)或波形步進(jìn)：在此模式下，只有電機(jī)的一個端子（相位）將在任何給定時間通電。這具有較少的步數(shù)，因此可以實現(xiàn)完整的360°旋轉(zhuǎn)。由于步數(shù)較少，因此該方法消耗的電流也非常低。下表顯示了4相步進(jìn)電機(jī)的波形步進(jìn)順序

2.? ?兩相步進(jìn)：正如該方法中的名稱所示，兩個相位將是一個步數(shù)。它具有與波形步進(jìn)相同的步數(shù)，但由于一次有兩個線圈通電，因此與先前的方法相比可以提供更好的扭矩和速度。但是一個缺點(diǎn)是這種方法也消耗更多的功耗。

●??半步模式

半步模式是一個相位接通模式和兩個相位接通模式的組合。這種組合將幫助我們克服兩種模式的上述缺點(diǎn)。

正如您可能已經(jīng)猜到的那樣，因為我們將兩種方法結(jié)合起來，我們將在此方法中執(zhí)行8步以獲得完整的旋轉(zhuǎn)。下面顯示的4相步進(jìn)電機(jī)的切換順序：

因此，您可以選擇在任何模式下對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程，但我更喜歡兩相步進(jìn)步進(jìn)模式。因為這種方法比單相方法提供更快的速度，并且與半模式相比，由于兩相方法中的步驟數(shù)量較少，所以代碼量較少。

創(chuàng)建用于控制步進(jìn)電機(jī)的MATLAB圖形用戶界面

然后我們必須構(gòu)建GUI（圖形用戶界面）來控制步進(jìn)電機(jī)。要啟動GUI，請在命令窗口中鍵入以下命令

guide

將打開一個彈出窗口，然后選擇新的空白GUI，如下圖所示，

現(xiàn)在選擇兩個切換按鈕，用于順時針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和逆時針旋轉(zhuǎn)，如下圖所示，

要調(diào)整大小或更改按鈕的形狀，只需單擊它，您就可以拖動按鈕的邊角。通過雙擊切換按鈕，您可以更改該特定按鈕的顏色、字符串和標(biāo)記。我們定制了兩個按鈕，如下圖所示。

您可以根據(jù)自己的選擇自定義按鈕?，F(xiàn)在當(dāng)你保存它時，在MATLAB的Editor窗口中生成一個代碼。要對Arduino進(jìn)行代碼以執(zhí)行與項目相關(guān)的任何任務(wù)，您始終必須編輯此生成的代碼。所以下面我們編輯了MATLAB代碼。您可以在MATLAB入門教程中了解有關(guān)命令窗口、編輯器窗口等的更多信息。

使用Arduino控制步進(jìn)電機(jī)的MATLAB代碼

控制步進(jìn)電機(jī)的完整MATLAB代碼在本文末尾處給出。此外，我們在這里包含GUI文件（.fig）和代碼文件（.m）供下載（右鍵單擊鏈接然后選擇“將鏈接保存為...”），使用它可以根據(jù)您的要求自定義按鈕。下面是我們使用兩個切換按鈕順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)所做的一些調(diào)整。

復(fù)制并粘貼以下代碼到74行代碼，確保每次運(yùn)行m文件時Arduino正在與MATLAB通信。

clear all;

global a;

a = arduino();

向下滾動時，您將看到為GUI中的兩個按鈕創(chuàng)建了兩個函數(shù)?，F(xiàn)在根據(jù)要單擊的任務(wù)在兩個函數(shù)中編寫代碼。

在順時針按鈕的函數(shù)中，在函數(shù)末尾處復(fù)制并粘貼以下代碼，使電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)。為了順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，我們使用while循環(huán)重復(fù)順時針方向的兩個相位步進(jìn)完全模式步驟。

while get(hObject,'Value')

global a;

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

end

現(xiàn)在在逆時針按鈕的函數(shù)中，將以下代碼粘貼到函數(shù)的位置，以逆時針方向旋轉(zhuǎn)電機(jī)。為了以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，我們使用while循環(huán)重復(fù)逆時針方向的兩個相位步進(jìn)完全模式步驟。

while get(hObject,'Value')

global a;

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 1);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 0);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 0);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 1);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

writeDigitalPin(a, 'D8', 1);

writeDigitalPin(a, 'D9', 0);

writeDigitalPin(a, 'D10', 0);

writeDigitalPin(a, 'D11', 1);

pause(0.0002);

end

所需的材料

●? ? 安裝MATLAB筆記本電腦

●? ? Arduino UNO開發(fā)板

●? ? 步進(jìn)電機(jī)（28BYJ-48,5VDC）

●? ? ULN2003 - 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

電路原理圖

用MATLAB控制步進(jìn)電機(jī)

根據(jù)電路圖設(shè)置硬件后，只需單擊運(yùn)行按鈕即可在.m文件中運(yùn)行編輯后的代碼

MATLAB可能需要幾秒鐘的時間來響應(yīng)，不要點(diǎn)擊任何GUI按鈕，直到MATLAB在左下角顯示忙消息，如下所示，

一切準(zhǔn)備就緒后，順時針或逆時針方向按鈕旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 當(dāng)我們使用切換按鈕時，步進(jìn)電機(jī)將以順時針方向連續(xù)移動，直到我們再次按下按鈕。 同樣，按下逆時針切換按鈕，電機(jī)開始逆時針旋轉(zhuǎn)，直到我們再次按下按鈕。

編輯：hfy