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STM32自己从零开始实操08:电机电路原理图

news 2025/6/5 12:24:57

一、LC滤波电路

其实以下的滤波都可以叫低通滤波器。

1.1倒 “L” 型 LC 滤波电路

1.1.1定性分析

1.1.2仿真实验

电感：通低频阻高频的。仿真中高频信号通过电感，因为电感会阻止电流发生变化，故说阻止高频信号

电容：隔直通交。仿真实验中电容容值比较小，对于高频信号来说，它的容抗比较小，高频信号可以很大一部分流经这个电容导向地。

电阻：该电阻低频信号可以通过，而高频信号会被截止。

但是还要考虑一点：该并联电路，会有谐振问题。可以通过计算器计算 82uH 与 3.3uF 之间产生的谐振频率是 9675HZ ，当电源频率为该数值频率时，可以看到负载的输出达到了 100V 最大电压值，达到 -100V 的最低电压值。而输入电压仅仅有 5V。

这是由于发生了谐振，它的谐振频率与这个电源的频率一样，所以它导致它的增益倍数被放大了很多倍。当我们把电源频率调低一点至 5.7K ，负载电压是 7.61V ，也是被放大了，当再调低一点至 1K 的话，它的增益就是一倍，就是 5.045 V。

这样也能说明它是通低频阻高频的，而当它到达一定频率之后，它的增益会放大很多倍。所以设计电路为一个低通滤波器的时候，一定要避免这个频率达到它的谐振频率，而有时候是需要利用这个增益的。

倒“L”型LC滤波电路

1.2只有电容滤波

1.3 “π” 型 LC 滤波电路

1.3.1电阻式

在上面的只有电容滤波的电路中 100mA 的电流需要 500uF 的电容，当需要的电流更大时，电容的容值就得增加。这就不如 π 型滤波电路的性价比高。
（注意上面这句话，是不是在不经意间就解决了你“为什么这里用 π 型滤波电路的困惑”）

假设和上面的电路情况一样，经过全波整流之后的参数如下图左边所示。将 500uF 的电容拆成两个 250uF 的，加上一个 100Ω 电阻，你就会发现效率蹭蹭的就上去了。

电压 310V ，电流 100mA ，这就意味着负载的等效电阻为 3.1K ，如图所示。
（你可能会疑惑不是有电阻电容吗？在负载断的电压电流数值怎么不变？请你知道这个电路是一个正儿八经的滤波电路，一些微小的变化，一些微小的分压分流请忽略。）

电容阻抗： $X_{c}=\frac{1}{2\pi fc}=\frac{1}{628\times 0.00025}\approx 6.4\Omega$

经过第一个电容 C1 滤波之后的纹波： $V_{pipple}=\frac{^{I _{max}}}{f\cdot c}= \frac{100mA}{100HZ\times 0.00025F}=4V$

后面的电路是：电容并联负载后和电阻串联，电容和电阻并联后的电阻仍约等于电容的阻抗。

计算纹波公式为： $4V\times \frac{X_{C}}{100+X_{C}}=0.24V$

纹波从 4V （单电容滤波）变成了 0.24V （后半截 π）。

1.3.2电感式

上面电阻的位置可以换成电感，需要注意一下几点：

（1）根据电流大小选择

上面的电路中电流只有 100mA ，即负载电流比较小，则选择 CRC 型滤波。如果电路电流是 1A 则流过电阻的功耗就大了。

当较大的电流流过电感时，我们认为电感元件进行能量的储存和释放，不消耗电能（理想状态下）。

（2）根据频率大小选择

串联在电路中的电感的阻抗计算公式为： $X_{L}= 2\pi fl$

频率高：电感阻抗高，串联分压多，消除纹波效果明显。
频率低：电感阻抗低，串联分压少，消除纹波效果不明显，就需要电感量非常的大。

1.3.3总结

小电流+低频：CRC

大电流+高频：CLC

1.4本项目的应用

通过上面的讲解你应该能体会到本项目使用的 π 型滤波：

本项目：电机部分驱动电流大-----→ 不能用电阻，功耗大。
本项目：高频噪声、纹波偏多-----→用电感串联分压多

至于电感的值，跟实际 PCB 布局和滤波的频率都有很大的关系，经验值 22uH。

二、步进电机基础知识

2.1步进电机的原理

2.2步进电机的命名方式

28BYJ-48 步进电机命名介绍
命名	解释
28：步进电机的有效最大外径是 28mm	有效最大外径：是步进电机外壳的最大直径，这个尺寸通常用于确定电机的大小和安装空间。
B：表示是步进电机
Y：表示是永磁式	永磁式：电机内部的转子使用了永久磁铁，这种设计使得电机在停止时具有更高的保持力矩（holding torque）。当电机的定子线圈（通常是电磁铁）通电时，会产生电磁场。这些电磁场与转子的恒定磁场相互作用，产生一个扭矩，使转子定位。当电机停止供电时，转子的永久磁铁与定子铁芯的磁力仍然存在，保持转子在其位置不动。就像磁铁可以吸住铁片一样，电机内部的永久磁铁可以吸住定子铁芯，使转子在停止时保持不动。
J：表示是减速型（减速比1:64）	减速比：是指电机内部的某个部分（通常是电机转子）转动一定圈数后，外部输出轴才转动一圈。对于1:64的减速比，意味着电机转子转动64圈，输出轴才转动一圈。
48：表示四相八拍	四相：步进电机的四相指的是电机内部有四组线圈，每组线圈称为一相。八拍：每相线圈可以以一定顺序通电，使电机转动。八拍指的是一个完整的周期需要8个步进信号，即8个脉冲。
电压：5V
步距角：步进角度 5.623 X $\frac{1}{64}$	步进角度：是指步进电机接收到一个脉冲信号时，转子转动的角度。对于28BYJ-48 来说，原始步进角度是 5.625 度。 64分之一：由于减速齿轮的存在，实际输出轴的步进角度需要将原始步进角度除以减速比 64，因此每个步进脉冲输出轴的实际转动角度为 5.625 度 / 64 ≈ 0.088 度。

2.3步进电机驱动方法

步进电机不能直接使用电流源来工作，必须使用专用的步进电机驱动器，它由以下部分组成：

脉冲发生控制单元：生成控制脉冲信号来驱动电机
功率驱动单元：提供电机所需的电流和电压
保护单元：保护电机和驱动器免受过电流、过电压等故障的影响

~~（下面的知识点可以看懂，看不懂就算了。）~~

~~（1）单四拍~~

~~A→B→C→D→A→循环往复~~

~~特点：步距角 5.625 / 32 ,电流最小，扭矩最小~~

~~（2）双四拍~~

~~AB→BC→CD→DA→AB→循环往复~~

~~特点：步距角 5.625 / 32 ,电流最大，扭矩最大~~

~~（3）八拍~~

~~A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→循环往复~~

~~特点：步距角 5.625 / 64 ,电流居中，扭矩居中~~

~~（4）所需脉冲~~

~~单四拍和双四拍转一周需要 2048 个脉冲，八拍需要 4096 个脉冲。~~

~~（5）转动位置和通电情况如图（图为自画，比较粗糙）~~

三、单极性步进电机

3.1基础知识

如下图，单极性步进电机里面有两个大线圈，并在中间引出都引出抽头，将两个大线圈分成了四个小线圈，故又叫四相五线步进电机，又因为电流只有一个方向，又叫单极性步进电机。

红 5 接 5V 电源，皆从红 5 流入，其他四个色接驱动的输出端，从各自相中流出，单片机输出接驱动输入。

3.2 ULN2003 数据手册

3.2.1展示

3.2.2描述

ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个 NPN 达林顿管组成。所有单元共用发射极，每个单元采用开集电极输出。每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻，直接兼容 TTL 和 5V CMOS 电路，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流下并行运行，很好的提供了需要多接口驱动电路的解决方案。

（1）特点：

工作电压范围宽
七路高增益达林顿阵列
输出电压高（可达 50V ）
输出电流大（可达 500mA）
可与 TTL、CMOS、PMOS 直接连接
内置钳位二极管适应感性负载

（2）应用

继电器驱动
直流照明驱动
步进电机驱动
电磁阀
直流无刷电机驱动

3.2.3电路框图

3.2.4内部等效线路图

3.2.5陈氏总结

看着会用就可以不用非常了解内部的结构的原理，很久没学习了，不要又陷入自己的误区。

你只需要知道：

达林顿晶体管是一种由两个NPN或PNP晶体管组成的复合晶体管，特点是具有高电流增益。第一个晶体管的集电极接第二个晶体管的基极，两个晶体管的电流增益相乘，使得整体的电流增益非常大。
达林顿陈列是由多个达林顿晶体管组成的电路阵列，每个达林顿晶体管都是独立的。ULN2003中包含7个达林顿对，每对都有自己的输入和输出。
开集电极意味着每个达林顿对的输出端（集电极）没有连接到电源，而是外部设备需要提供电源。当输入信号使达林顿对导通时，输出端被拉低至接地点，从而完成电流路径。开集电极输出使得这些达林顿对可以直接用于驱动负载，如继电器、灯泡等。
ULN2003中，每个达林顿对的发射极都连接到同一个接地点（地）。这意味着所有达林顿对的负端都是共用的接地点。
ULN2003 能够兼容 TTL 和 5V CMOS电路，是因为每个达林顿对的输入端有一个 2.7KΩ 的基极电阻，这使得其输入电压阈值和电流需求与 TTL 和 5V CMOS 电路相匹配，即无论是那种信号的电压过来都是可以驱动达林顿晶体管的。
在 ULN2003 中，每个达林顿对在关态时（即输入信号为低电平时），其输出端可以承受最高 50V 的电压而不会损坏。这是因为达林顿晶体管的结构和材料能够承受较高的反向电压。

3.3KF2EDGR-3.81-5P介绍

KF2EDGR-3.81-5P 是插拔式接线端子，展示如下：

此处为四相五线，所以这里的接线端子需要有五跟线。

其中 1 线是公共端接电源，称为 com 端。
其他是电机的其他四相，只需要控制每一项的通断，用的是 ULN2003A 来驱动。

3.4原理图

ULN2003A 是一个反向器（在上面 ULN2003A 的电路框图中放大器输出端有一个圆圈，也验证代表反向的意思），输入 0 则输出 1，连接着上面所说的电机的其他四相。

运行时输入 1 → ULN2003A → 输出0 → 电机的其他四相就是0 → 公共端（）为1 就导通回路了。
只需要改变供电的次序就可以控制电机的转向。

左边为输入，右边为输出，当输入1时，输出0；输入0时，输出1.中间是达林顿管，可以放大微小信号

电流只有一个方向。用ULN2003A驱动（内含反相器），比较简单。

三、旋转编码器接口

四、单极性步进电机

五、双极性步进电机

右边双极性步进电机里面就只有两个线圈，没有中间的抽头，所以又叫两相四线步进电机。该电机电流有两个方向，需要桥路来驱动，改变线圈电流的方向。

六、无刷直流电机接口

忠心的感谢每一个认真讲课的好老师，本文参考：

270_08LC滤波电路_哔哩哔哩_bilibili

STM32物联网项目——单极性步进电机_步进电机stm32开发-CSDN博客