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歡迎來(lái)到芯片之家的步進(jìn)電機(jī)科普系列！在這個(gè)系列中，我們將深入探討步進(jìn)電機(jī)的基本原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件控制，并最終通過一個(gè)實(shí)際的PD（Power Delivery）步進(jìn)電機(jī)控制方案來(lái)展示其應(yīng)用。我們還將開源所有相關(guān)的資料，包括電路圖、PCB設(shè)計(jì)、軟件代碼等，讓大家可以動(dòng)手實(shí)踐，真正掌握步進(jìn)電機(jī)的精髓。
步進(jìn)電機(jī)因其精準(zhǔn)的位置控制和易于驅(qū)動(dòng)的特性，廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、CNC機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。無(wú)論您是初學(xué)者還是有一定經(jīng)驗(yàn)的工程師，這個(gè)系列都將為您提供有價(jià)值的知識(shí)和實(shí)踐指導(dǎo)。
什么是步進(jìn)電機(jī)？
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制電機(jī)。通過控制脈沖的數(shù)量和頻率，可以精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是“步進(jìn)式”的，即每接收一個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為“步進(jìn)角”。
關(guān)于原理，老宇哥看了一圈后，網(wǎng)絡(luò)上有個(gè)非常棒的視頻，詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，動(dòng)畫都做的非常不錯(cuò)，咱沒必要重復(fù)造輪子，看一次夠，每看一遍后，都會(huì)有一些新的理解。視頻來(lái)自B站UP主方貓boom看完這個(gè)視頻，我相信對(duì)步進(jìn)電機(jī)的原理都比較了解了。就像方貓大佬說的，我們常用的步進(jìn)電機(jī)有42步進(jìn)電機(jī)和28BYJ步進(jìn)電機(jī)兩種，其它都大同小異，本項(xiàng)目我們使用42步進(jìn)電機(jī)，28BYJ步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)我們后面單獨(dú)介紹驅(qū)動(dòng)案例。
42步進(jìn)電機(jī)就是4線接口，A+，A-，B+，B-，一共4根線，一般在使用的時(shí)候，會(huì)配一個(gè)專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后再通過主控去控制，大概就是這樣子：
這種驅(qū)動(dòng)盒子比較大，也比較工業(yè)風(fēng)，能不能設(shè)計(jì)一種小小的，不占地方的驅(qū)動(dòng)呢，最好能固定到電機(jī)上，跟電機(jī)長(zhǎng)寬一樣，最好也能集成MCU等等。
還真有一個(gè)這樣的項(xiàng)目，此項(xiàng)目將驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的跟步進(jìn)電機(jī)一樣大小，板載ESP32-S3 WiFi模塊，步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，還用了USB PD，這樣留一個(gè)TYPE- C口就可以獲得50W的功率。
步進(jìn)電機(jī)很多時(shí)候都是開環(huán)控制，這次還加上了磁旋轉(zhuǎn)編碼器，可以做閉環(huán)控制。成品就是這樣：
我們大概看一下原理圖，
1、主控用ESP32-S3，提供充足的處理能力、內(nèi)置 Wi-Fi 和藍(lán)牙連接，以及豐富的開發(fā)工具和庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)，可輕松定制和擴(kuò)展，例如ESPHome和ESPNow，外圍加了一個(gè)NTC做AD采集做過溫保護(hù)。
2、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用TMC2209，該驅(qū)動(dòng)器以其靜音運(yùn)行、高精度以及 stealthChop?、spreadCycle? 和無(wú)傳感器歸位等先進(jìn)功能而聞名，確保平穩(wěn)、安靜和高效的電機(jī)控制。
3、磁旋轉(zhuǎn)位置傳感器用AS5600，實(shí)現(xiàn)精確可靠的絕對(duì)角度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確定位和閉環(huán)控制。
4、USB PD用CH224K進(jìn)行誘騙，可以用USB接口提供高功率的供電，不用那些常規(guī)的笨重電源適配器，USB PD 與 TMC2209 一起可以驅(qū)動(dòng)功率高達(dá)50W 的步進(jìn)電機(jī)，CH224K我們單獨(dú)一節(jié)專門介紹。
5、DCDC采用MPS的MPM3612-33，是同步整流降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置內(nèi)部功率mosfet和高輕負(fù)載效率，采用 LGA-10（3mm x 3mm x 2mm）封裝，提供非常小的解決方案，能夠輸出 1A 的持續(xù)電流，同時(shí)在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持出色的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)，主要還是是板子空間實(shí)在太小了，外圍少量電容電阻就可以了。
6、周邊有3個(gè)按鍵，標(biāo)準(zhǔn) Qwiic / Stemma QT I2C 連接器（4 針 JST SH）意味著可以連接可用于控制的各種傳感器。
PCB采用4層板，設(shè)計(jì)的非常非常緊湊，封裝都是用的最小的，WiFi模塊都是貼片腳不外漏的封裝，這么小的空間，用常規(guī)PCB工藝，板子從布局到Layout都要花費(fèi)不少時(shí)間，后續(xù)如果還想在板子上增加一些芯片實(shí)現(xiàn)一些功能，那肯定是沒空間了。
因?yàn)楝F(xiàn)在用的都是普通過孔，走線轉(zhuǎn)到其它層的時(shí)候得從焊盤拉出來(lái)再打過孔，確實(shí)需要額外占用挺多空間，其實(shí)可以直接在焊盤上打過孔，直接把線轉(zhuǎn)到其它層，這不是爽歪歪嘛，特別是轉(zhuǎn)到GND層或者VCC層的時(shí)候，能節(jié)省太多空間。
以前老師教我們不要在焊盤上打過孔，這都是過去式了，我們經(jīng)常打板的嘉立創(chuàng)，4層板單獨(dú)做盤中孔是要收費(fèi)的，但6層板可以免費(fèi)做盤中孔和升級(jí)2u"沉金工藝，而且，在初期項(xiàng)目驗(yàn)證的時(shí)候，6層板比4層板可以更快速的畫完，再加上他們有6層板免費(fèi)打樣，特別適合做項(xiàng)目初期的原型功能驗(yàn)證，沒試過的小伙伴可以打板試一下。
硬件篇大概就介紹到這里，后面我們會(huì)針對(duì)某些元器件做深入分析以及軟件驅(qū)動(dòng)部分，請(qǐng)大家持續(xù)關(guān)注。原項(xiàng)目地址：https://github.com/joshr120/PD-Stepper
