【STM32】步进电机及其驱动（ULN2003驱动28BYJ-48丨按键控制电机旋转）

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猴君
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本篇文章包含的内容

参考文章与课程：
  【视频课程】步进电机基础原理和应用——程子华主讲
  【视频课程】电机系列教学视频（基于STM32硬件）——野火
  【霄耀在努力】STM32驱动步进电机（原理、程序、解决电机只震动不转动问题）

一、步进电机的结构和工作原理

1.1 步进控制系统的组成

  步进控制系统由以下三个部分组成：

  • 控制器：可以是PLC、定位控制模块或单片机，主要作用是产生控制脉冲信号（博主采用STM32作为控制器）。
  • 驱动器：对控制器发出的控制信号进行分配和功率放大，控制步进电机每一相的线圈是否通电。
  • 电机：电机本身，或用步进电机驱动其他设备。

1.2 步进电机简介

  步进电机是一种特种电机，又称为脉冲电动机，是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环（无反馈）控制元件。在非超载的条件下，电机的转速、角位移只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数。
  “步进”的意义是电机转动遵从固定的步幅，即每一个控制脉冲来临，电机就转动一个步进角 θ \theta θ。步进角 θ \theta θ与电机本身的结构（和其拓展结构，例如减速齿轮可以减小步进角）有关。脉冲数越多，电机转动的角度就越大。同时，脉冲的频率越高，电机转速就越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩将迅速减小，电机停转。
  下图所示的是较为常见的42步进电机。“42”的意思是该电机的外壳尺寸是42mm×42mm。可以在其转轴上加装减速齿轮实现减速功能，来增大输出力矩和减小步进角 θ \theta θ；也可以在将转轴替换为丝杠，常见于需要驱动设备直线运动的场合。
在这里插入图片描述
  博主在这里使用的步进电机型号是28BYJ-48，是套件中常见的步进电机。它也是一种减速步进电机，内部的减速齿轮由塑料制成，具有重量轻，体积小，结构简单等特点。它常被用在监控探头的云台上。这种电机及其驱动模块如下图所示：
在这里插入图片描述

1.3 步进电机的分类

  步进电机的分类方法非常多，按照不同的分类方法，步进电机可以被分为以下几种：

  1. 按力矩产生的原理分类

  • 磁阻式：又称为反应式步进电机。转子采用软磁材料，一般式硅钢片，本身没有磁性，但极易被磁化。其特点是结构简单，步进角小（可达1.2°），但效率低，发热量大，可靠性难以保障，很早之前就被市场淘汰了。
    在这里插入图片描述

  • 永磁式：又称为PM步进电机，转子使用永磁性材料，通过改变定子线圈的磁极来驱动转子。内部的圆柱形转子外表均匀分布着N极和S极。一般都为两相，扭矩和体积都比较小。步进角 θ \theta θ一般为3.75°、7.5°、15°、18°，特点是步进角一般较大，力矩较小，精度比较低，发热小，结构简单，价格低廉，一般用在一些较为低端的产品中。今年来设备小型化，微型永磁式步进电机的应用范围也有了进一步的扩展，例如带可升降型的摄像头的手机。
    在这里插入图片描述

  • 混合式：定子由两个转子铁芯（一般是硅钢片）和一个磁钢（永磁体）组成，两个转子铁芯极性相反。它的特点是产生的力矩相较于永磁式步进电机更大，发热较小，效率高，转速相对较大，噪音低，步进角小等。两相混合式步进电机的步进角一般为1.8°，三相混合式步进电机的步进角一般为1.2°，五相混合式步进电机的步进角可以达到0.72°。它的相应速度快，适用于频繁启停的场合。
    请添加图片描述

  1. 按相数分类：可以分为单相、双相、三相、四相、五相步进电机。相数，指电机内部的闭合线圈组数。
  2. 按输出力矩的大小分类
  • 伺服式：输出力矩在小于1N·m的范围内，只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配合使用才能驱动机床、工作台等较大的负载
  • 功率式：输出力矩在5~50N·m之间，甚至更高，可以直接驱动机床工作台等较大的负载
  1. 按定子数分类
  • 单定子式
  • 双定子式
  • 三定子式
  • 多定子式
  1. 按各相绕组分布分类
  • 径向分布式：电机各相按圆周依次排列
  • 轴向分布式：电机各相按轴向依次排列

  按照以上的一些分类方法，可以举出一些例子：
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  28BYJ-48就是一种常见的单极性五线四相步进电机，“单极性”指线圈中电流的方向是确定的，不可翻转；对应的，“双极性”指线圈冲存在两种不同地电流方向。

1.4 步进电机的工作原理

  对于双极性步进电机和单极性步进电机，它们二者绕组极性的不同，它们的工作方式也略有差异。

1.4.1 单极性步进电机（5线4相）

  单极性步进电机有共阴极接法和共阳极接法，两种接法对于控制信号而言只是控制信号的极性的不同。要控制电机的旋转方向，只需要将拍之间的导电顺序颠倒即可。接下来的几种驱动方式都采用共阴极接法为例说明，且电机为顺时针转动。

  1. 单相整步驱动：“单相”指每一拍只有一相导电，“整步”指每一拍走过的角度是相邻两相之间的一整步。如下图所示，四个相的导电顺序为： A → B → C → D → A → . . . A\rightarrow B \rightarrow C \rightarrow D \rightarrow A \rightarrow... A→B→C→D→A→...，依次循环，步距角 θ = 90 ° \theta=90° θ=90°。
    在这里插入图片描述

  2. 双相整步驱动：“双相”指每一拍有两相同时导通，且在数字信号驱动下，两相线圈通电产生的磁场大小相等。四拍的导电顺序为 A B → B C → C D → D A → A B → . . . AB\rightarrow BC \rightarrow CD \rightarrow DA \rightarrow AB \rightarrow... AB→BC→CD→DA→AB→...，与单相整步驱动相比，双相整步驱动拥有更大的转动力矩（是单相整步驱动力矩的 2 \sqrt{2} 2​倍）。
    在这里插入图片描述

  3. 半步驱动：半步驱动方式实际上是单相整步驱动和双相整步驱动的结合。相较于前两者，半步驱动有更小的步距角（45°），八拍的导电顺序为： A → A B → B → B C → C → C D → D → D A → A → . . . A\rightarrow AB \rightarrow B \rightarrow BC \rightarrow C \rightarrow CD \rightarrow D \rightarrow DA \rightarrow A \rightarrow... A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→...，其缺点为转动力矩不稳定，有可能会导致电机本身的震动或者驱动设备的动力不稳定等问题。
    在这里插入图片描述

1.4.2 双极性步进电机（4线2相）

  双极性步进电机中的线圈中的电流方向是双相的，通过配置 A + A^+ A+和 A − A^- A−， B + B^+ B+和 B − B^- B−的高低电平来控制电机的旋转。其原理与单极性步进电机类似，优点是相较于前者可以具有更大的转动力矩（可以通过配置一个线圈上的两端电压分别为+5V和-5V来使线圈上的电流增大），缺点是驱动电路和程序较为复杂。由于原理与单极性步进电机类似，以下不做过多赘述。

  1. 单相整步驱动
    在这里插入图片描述

  2. 双相整步驱动
    在这里插入图片描述

  3. 半步驱动
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1.4.3 细分器驱动原理

  如果驱动电路可以改变每一相通电时的电流大小，就可以控制每一相产生的磁场大小。这样不仅能解决半步驱动时力矩忽大忽小的问题，还能使步距角进一步减小以达到更高的精度控制。
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1.5 步进电机工作参数

1.5.1 静态参数

  • 相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数（双极性），也可以理解为步进电机中线圈的组数。一般而言，两相步进电机步距角为 1.8°，三相的步进电机步距角为 1.5°，相数越多的步进电机，其步距角就越小。
  • 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用 n n n 表示；或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。以四相电机为例，四相四拍运行方式即 A B → B C → C D → D A → A B → . . . AB\rightarrow BC \rightarrow CD \rightarrow DA \rightarrow AB \rightarrow... AB→BC→CD→DA→AB→...，四相八拍运行方式即 A → A B → B → B C → C → C D → D → D A → A → . . . A\rightarrow AB \rightarrow B \rightarrow BC \rightarrow C \rightarrow CD \rightarrow D \rightarrow DA \rightarrow A \rightarrow... A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→...
  • 步距角：一个脉冲信号所对应的电机转动的角度，可以简单理解为一个脉冲信号驱动的角度，电机上都有标注，一般 42 步进电机的步距角为 1.8°
  • 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成）。
  • 静转矩：电机在额定静态电压作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

1.5.2 动态参数

  • 步距角精度：步进电机转动一个步距角度的理论值与实际值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。
  • 失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。也可以叫做丢步，一般都是因负载太大或者是频率过快。
  • 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
  • 最大空载起动频率：在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
  • 最大空载的运行频率：电机不带负载的最高转速频率。
  • 运行转矩特性：电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
  • 电机正反转控制：通过改变通电顺序而改变电机的正反转。

1.6 步进电机的特点

  1. 步进电机的精度大概为步距角的 3~5%，且不会积累。
  2. 步进电机的外表允许的最高温度较高。步进电机发热的主要原因是铜损和铁损，铜损指铜导线的导电发热效应，铁损指作为铁芯的硅钢片在磁场中产生涡流效应而被加热。一般步进电机会因外表温度过高而产生磁性减小，从而导致力矩减小。一般来说磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度是完全正常的（28BYJ-48不会达到很高的工作温度）。
  3. 步进电机的转矩与速度成反比，速度越快力矩越小。
  4. 低速时步进电机可以正常启动，高速时不会启动，并伴有啸叫声。步进电机的空载启动频率是固定的，如果高于这个频率电机不能被启动，并且会丢步或堵转。

二、步进电机驱动

2.1 ULN2003驱动芯片

  ULN2003是一个单片高电压（最高可达50V）、高电流（单个额定输出500mA）的达林顿晶体管阵列集成电路。 它是由7对NPN达林顿晶体管组成的，它的高电压输出特性和阴极钳位二极管可以转换感应负载。单个达林顿晶体管对的集电极电流为500mA，达林顿管并联可以承受更大的电流。
  ULN2003可以作为继电器驱动器，字锤驱动器、灯驱动器、显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器。ULN2003的每一对达林顿晶体管的基极都有一个2.7k的串联电阻，可以直接和TTL或者5V的CMOS装置连接。它实际上就是一个功率放大器，输出端具有较大的驱动能力（电流较大）。
  ULN2003的芯片内部原理图和引脚定义图如下所示：
在这里插入图片描述
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2.2 驱动模块电路图

  与28BYJ-48配套的ULN2003驱动模块原理图如下图所示：
ULN2003电机驱动模块
  该模块的电路原理比较简单，具体使用时IN1、IN2、IN3、IN4分别对应A、B、C、D四相，且都为高电平有效。输入某一相为高电平时对应相的LED指示灯亮起，标识该相目前输入为有效电平。

三、代码实现

  博主在写代码的时候饶了很多弯路……，最后也参考了一些网上的代码。参考的文章和课程在文章开头有所标识。IN1~IN4分别接STM32的PA0，PA1，PA2，PA3，驱动模块的电源（5V）直接连接到ST-Link的电源输入口上，驱动模块与STM32共地。接线图略。

  • Stepper.h
#ifndef __STEPPER_H_ #define __STEPPER_H_  // 电机的旋转方向 typedef enum  { 	Forward = 0, 	Reversal = 1 } RotDirection;  // 需要使用其他端口时，只需要更改以下的宏定义即可 // 这里需要保证四个输出端口同属一个GPIO // 如果不能满足这一点，需要更改Stepper.c中初始化函数Stepper_Init和Stepper_RotateByStep中的一些变量名称 // 这里的宏定义是为了提高程序的可读性和可移植性，但使用stm32f10x.h中定义的原始名称也未尝不可 #define		Stepper_CLK				RCC_APB2Periph_GPIOA #define		Stepper_Output_GPIO		GPIOA #define 	Stepper_LA				GPIO_Pin_0 #define 	Stepper_LB				GPIO_Pin_1 #define 	Stepper_LC				GPIO_Pin_2 #define 	Stepper_LD				GPIO_Pin_3  void Stepper_GPIOInit(void); void Stepper_Stop(void); void Stepper_SingleStep(uint8_t StepNum, uint16_t Delay_Time_xms); void Stepper_RotateByStep(RotDirection direction, uint32_t step, uint16_t Delay_Time_xms); void Stepper_RotateByLoop(RotDirection direction, uint32_t Loop, uint16_t Delay_Time_xms);  #endif
  • Stepper.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header #include "Delay.h" #include "Key.h" #include "Stepper.h"  uint8_t STEP;	// 用于存储电机正在走过的整步编号  /**   * @brief  步进电机输出端GPIO初始化函数   * @param  无   * @retval 无   */ void Stepper_GPIOInit(void) { 	RCC_APB2PeriphClockCmd(Stepper_CLK, ENABLE); 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; 	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;	// 推挽输出 	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Stepper_LA | Stepper_LB | Stepper_LC | Stepper_LD; 	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 	GPIO_Init(Stepper_Output_GPIO, &GPIO_InitStruct); 	 	GPIO_ResetBits(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LA | Stepper_LB | Stepper_LC | Stepper_LD); }  /**   * @brief  电机停转函数   * @param  无   * @retval 无   */ void Stepper_Stop(void) { 	GPIO_ResetBits(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LA | Stepper_LB | Stepper_LC | Stepper_LD); }  /**   * @brief  4拍单相整步驱动函数   * @param  StepNum 	整步编号，0~3对应A~D   * @param	Delay_Time_xms 		每步旋转后延时时间x ms，用于控制步进电机速度（一般需大于等于2）   * @retval 无   */ void Stepper_SingleStep(uint8_t StepNum, uint16_t Delay_Time_xms) { 	switch(StepNum) 	{ 		case 0:		// A 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LA, Bit_SET); 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LB | Stepper_LC | Stepper_LD, Bit_RESET); 		break; 		case 1:		// B 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LB, Bit_SET);	 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LA | Stepper_LC | Stepper_LD, Bit_RESET); 		break;			 		case 2:		// C 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LC, Bit_SET);	 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LA | Stepper_LB | Stepper_LD, Bit_RESET); 		break; 		case 3:		// D 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LD, Bit_SET); 			GPIO_WriteBit(Stepper_Output_GPIO, Stepper_LA | Stepper_LB | Stepper_LC, Bit_RESET); 		break; 		default: break; 	} 	Delay_ms(Delay_Time_xms);	// 延时，控制电机速度 	Stepper_Stop();				// 断电，防止电机过热 }  /**   * @brief  步进电机按步旋转   * @param  direction		电机旋转方向，可以是Forward（正传）或者Reversal（反转）   * @param	step			电机转过的步数   * @param	Delay_Time_xms	每步旋转后延时时间x ms，用于控制步进电机速度（一般需大于等于2）   * @retval 无   */ void Stepper_RotateByStep(RotDirection direction, uint32_t step, uint16_t Delay_Time_xms) { 	for (uint32_t i = 0; i < step; i ++) 	{ 		if (direction == Forward)	// 电机正传 		{ 			STEP ++; 			if (STEP > 3) 			{ 				STEP = 0; 			} 		} 		else if (direction == Reversal)	// 电机反转 		{ 			if (STEP < 1) 			{ 				STEP = 4; 			} 			STEP --; 		} 		Stepper_SingleStep(STEP, Delay_Time_xms); 	} }  /**   * @brief  步进电机按整数圈旋转   * @param  direction		电机旋转方向，可以是Forward（正传）或者Reversal（反转）   * @param  Loop			电机旋转的圈数   * @param  Delay_Time_xms	每步旋转后延时时间x ms，用于控制步进电机速度（一般需大于等于2）   * @retval    */ void Stepper_RotateByLoop(RotDirection direction, uint32_t Loop, uint16_t Delay_Time_xms) { 	Stepper_RotateByStep(direction, Loop * 2048, Delay_Time_xms); }

  Stepper_RotateByLoop函数中Loop * 2048是博主根据28BYJ-48步进电机的性能参数列表计算和实践调试所得。这里博主使用四拍驱动方式，如果要使用8拍的半步驱动方式，2048应该改为4096。读者手中的28BYJ-48的齿轮减速比可能与博主的有所不同(1:16 or 1:64)，根据测试，博主手头的28BYJ-48的参数如下表所示：

型号电压相数步距角减速齿轮减速比最大空载启动频率最大空载运行频率
28BYJ-485V45.625° / 321:32600Hz1000Hz
  • Key.c（Key.h在这里省略，在头文件中将函数进行声明即可）
#include "stm32f10x.h"                  // Device header #include "Delay.h"  /**   * @brief  按键初始化函数   * @param  无   * @retval 无   */ void Key_Init(void) { 	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); 	 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; 	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_11; 	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	// 这里的速度是GPIO的输出速度，在输入模式下这个参数选择没有用处 	 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); }  /**   * @brief  返回按下按键的值，若不按下按键默认返回0   * @param  无   * @retval KeyNum 按键对应的值，按下PB1按键返回1，按下PB11按键返回2   */ uint8_t Key_GetNum(void) { 	uint8_t KeyNum = 0; 	 	if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)	// 读取1端口的值 	{ 		Delay_ms(20); 		while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0);	// 如果不松手，程序将在此等待 		Delay_ms(20); 		KeyNum = 1; 	} 	if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0)	// 读取11端口的值 	{ 		Delay_ms(20); 		while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0);	// 如果不松手，程序将在此等待 		Delay_ms(20); 		KeyNum = 2; 	} 	 	return KeyNum; }
  • main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header #include "Delay.h" #include "OLED.h" #include "Key.h" #include "Stepper.h"  uint8_t KeyNum;  int main() { 	Key_Init(); 	Stepper_GPIOInit(); 	 //	Stepper_RotateByStep(Forward, 512, 3); //	Stepper_RotateByStep(Reversal, 512, 3); //	Stepper_RotateByLoop(Forward, 1, 3); 	 	while(1) 	{	 		KeyNum = Key_GetNum(); 		if (KeyNum == 1)	// 按下PB1上的按键，步进电机正转一圈 		{ 			Stepper_RotateByLoop(Forward, 1, 3); 		} 		if (KeyNum == 2)	// 按下PB11上的按键，步进电机反转一圈 		{ 			Stepper_RotateByLoop(Reversal, 1, 3); 		} 	} }

  需要源码的自行下载，不再收费了：Keil 5工程源码文件下载链接

  原创内容，整理不易，欢迎点赞，收藏~ 如有谬误敬请在评论区不吝告知，感激不尽！博主将持续更新有关嵌入式开发、机器学习方面的学习笔记~

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