【STM32】步进电机及其驱动（ULN2003驱动28BYJ-48丨按键控制电机旋转）
本篇文章包含的內容
- 一、步進電機的結構和工作原理
- 1.1 步進控制系統的組成
- 1.2 步進電機簡介
- 1.3 步進電機的分類
- 1.4 步進電機的工作原理
- 1.4.1 單極性步進電機（5線4相）
- 1.4.2 雙極性步進電機（4線2相）
- 1.4.3 細分器驅動原理
- 1.5 步進電機工作參數
- 1.5.1 靜態參數
- 1.5.2 動態參數
- 1.6 步進電機的特點
- 二、步進電機驅動
- 2.1 ULN2003驅動芯片
- 2.2 驅動模塊電路圖
- 三、代碼實現
參考文章與課程：
??【視頻課程】步進電機基礎原理和應用——程子華主講
??【視頻課程】電機系列教學視頻（基于STM32硬件）——野火
??【霄耀在努力】STM32驅動步進電機（原理、程序、解決電機只震動不轉動問題）
一、步進電機的結構和工作原理
1.1 步進控制系統的組成
??步進控制系統由以下三個部分組成：
- 控制器：可以是PLC、定位控制模塊或單片機，主要作用是產生控制脈沖信號（博主采用STM32作為控制器）。
- 驅動器：對控制器發出的控制信號進行分配和功率放大，控制步進電機每一相的線圈是否通電。
- 電機：電機本身，或用步進電機驅動其他設備。
1.2 步進電機簡介
??步進電機是一種特種電機，又稱為脈沖電動機，是一種將電脈沖信號轉化為角位移或線位移的開環（無反饋）控制元件。在非超載的條件下，電機的轉速、角位移只取決于控制脈沖信號的頻率和脈沖數。
??“步進”的意義是電機轉動遵從固定的步幅，即每一個控制脈沖來臨，電機就轉動一個步進角 θ\thetaθ。步進角θ\thetaθ與電機本身的結構（和其拓展結構，例如減速齒輪可以減小步進角）有關。脈沖數越多，電機轉動的角度就越大。同時，脈沖的頻率越高，電機轉速就越快，但不能超過最高頻率，否則電機的力矩將迅速減小，電機停轉。
??下圖所示的是較為常見的42步進電機?！?2”的意思是該電機的外殼尺寸是42mm×42mm?？梢栽谄滢D軸上加裝減速齒輪實現減速功能，來增大輸出力矩和減小步進角θ\thetaθ；也可以在將轉軸替換為絲杠，常見于需要驅動設備直線運動的場合。
??博主在這里使用的步進電機型號是28BYJ-48，是套件中常見的步進電機。它也是一種減速步進電機，內部的減速齒輪由塑料制成，具有重量輕，體積小，結構簡單等特點。它常被用在監控探頭的云臺上。這種電機及其驅動模塊如下圖所示：
1.3 步進電機的分類
??步進電機的分類方法非常多，按照不同的分類方法，步進電機可以被分為以下幾種：
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磁阻式：又稱為反應式步進電機。轉子采用軟磁材料，一般式硅鋼片，本身沒有磁性，但極易被磁化。其特點是結構簡單，步進角小（可達1.2°），但效率低，發熱量大，可靠性難以保障，很早之前就被市場淘汰了。
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永磁式：又稱為PM步進電機，轉子使用永磁性材料，通過改變定子線圈的磁極來驅動轉子。內部的圓柱形轉子外表均勻分布著N極和S極。一般都為兩相，扭矩和體積都比較小。步進角θ\thetaθ一般為3.75°、7.5°、15°、18°，特點是步進角一般較大，力矩較小，精度比較低，發熱小，結構簡單，價格低廉，一般用在一些較為低端的產品中。今年來設備小型化，微型永磁式步進電機的應用范圍也有了進一步的擴展，例如帶可升降型的攝像頭的手機。
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混合式：定子由兩個轉子鐵芯（一般是硅鋼片）和一個磁鋼（永磁體）組成，兩個轉子鐵芯極性相反。它的特點是產生的力矩相較于永磁式步進電機更大，發熱較小，效率高，轉速相對較大，噪音低，步進角小等。兩相混合式步進電機的步進角一般為1.8°，三相混合式步進電機的步進角一般為1.2°，五相混合式步進電機的步進角可以達到0.72°。它的相應速度快，適用于頻繁啟停的場合。
- 伺服式：輸出力矩在小于1N·m的范圍內，只能驅動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配合使用才能驅動機床、工作臺等較大的負載
- 功率式：輸出力矩在5~50N·m之間，甚至更高，可以直接驅動機床工作臺等較大的負載
- 單定子式
- 雙定子式
- 三定子式
- 多定子式
- 徑向分布式：電機各相按圓周依次排列
- 軸向分布式：電機各相按軸向依次排列
??按照以上的一些分類方法，可以舉出一些例子：
??28BYJ-48就是一種常見的單極性五線四相步進電機，“單極性”指線圈中電流的方向是確定的，不可翻轉；對應的，“雙極性”指線圈沖存在兩種不同地電流方向。
1.4 步進電機的工作原理
??對于雙極性步進電機和單極性步進電機，它們二者繞組極性的不同，它們的工作方式也略有差異。
1.4.1 單極性步進電機（5線4相）
??單極性步進電機有共陰極接法和共陽極接法，兩種接法對于控制信號而言只是控制信號的極性的不同。要控制電機的旋轉方向，只需要將拍之間的導電順序顛倒即可。接下來的幾種驅動方式都采用共陰極接法為例說明，且電機為順時針轉動。
單相整步驅動：“單相”指每一拍只有一相導電，“整步”指每一拍走過的角度是相鄰兩相之間的一整步。如下圖所示，四個相的導電順序為：A→B→C→D→A→...A\rightarrow B \rightarrow C \rightarrow D \rightarrow A \rightarrow...A→B→C→D→A→...，依次循環，步距角θ=90°\theta=90°θ=90°。
雙相整步驅動：“雙相”指每一拍有兩相同時導通，且在數字信號驅動下，兩相線圈通電產生的磁場大小相等。四拍的導電順序為AB→BC→CD→DA→AB→...AB\rightarrow BC \rightarrow CD \rightarrow DA \rightarrow AB \rightarrow...AB→BC→CD→DA→AB→...，與單相整步驅動相比，雙相整步驅動擁有更大的轉動力矩（是單相整步驅動力矩的2\sqrt{2}2?倍）。
半步驅動：半步驅動方式實際上是單相整步驅動和雙相整步驅動的結合。相較于前兩者，半步驅動有更小的步距角（45°），八拍的導電順序為：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→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→...，其缺點為轉動力矩不穩定，有可能會導致電機本身的震動或者驅動設備的動力不穩定等問題。
1.4.2 雙極性步進電機（4線2相）
??雙極性步進電機中的線圈中的電流方向是雙相的，通過配置A+A^+A+和A?A^-A?，B+B^+B+和B?B^-B?的高低電平來控制電機的旋轉。其原理與單極性步進電機類似，優點是相較于前者可以具有更大的轉動力矩（可以通過配置一個線圈上的兩端電壓分別為+5V和-5V來使線圈上的電流增大），缺點是驅動電路和程序較為復雜。由于原理與單極性步進電機類似，以下不做過多贅述。
單相整步驅動
雙相整步驅動
半步驅動
1.4.3 細分器驅動原理
??如果驅動電路可以改變每一相通電時的電流大小，就可以控制每一相產生的磁場大小。這樣不僅能解決半步驅動時力矩忽大忽小的問題，還能使步距角進一步減小以達到更高的精度控制。
1.5 步進電機工作參數
1.5.1 靜態參數
- 相數：產生不同對極 N、S 磁場的激磁線圈對數（雙極性），也可以理解為步進電機中線圈的組數。一般而言，兩相步進電機步距角為 1.8°，三相的步進電機步距角為 1.5°，相數越多的步進電機，其步距角就越小。
- 拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態，用 nnn 表示；或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數。以四相電機為例，四相四拍運行方式即 AB→BC→CD→DA→AB→...AB\rightarrow BC \rightarrow CD \rightarrow DA \rightarrow AB \rightarrow...AB→BC→CD→DA→AB→...，四相八拍運行方式即 A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→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：一個脈沖信號所對應的電機轉動的角度，可以簡單理解為一個脈沖信號驅動的角度，電機上都有標注，一般 42 步進電機的步距角為 1.8°
- 定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成）。
- 靜轉矩：電機在額定靜態電壓作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。
1.5.2 動態參數
- 步距角精度：步進電機轉動一個步距角度的理論值與實際值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。
- 失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。也可以叫做丟步，一般都是因負載太大或者是頻率過快。
- 失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。
- 最大空載起動頻率：在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。
- 最大空載的運行頻率：電機不帶負載的最高轉速頻率。
- 運行轉矩特性：電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。
- 電機正反轉控制：通過改變通電順序而改變電機的正反轉。
1.6 步進電機的特點
二、步進電機驅動
2.1 ULN2003驅動芯片
??ULN2003是一個單片高電壓（最高可達50V）、高電流（單個額定輸出500mA）的達林頓晶體管陣列集成電路。 它是由7對NPN達林頓晶體管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極鉗位二極管可以轉換感應負載。單個達林頓晶體管對的集電極電流為500mA，達林頓管并聯可以承受更大的電流。
??ULN2003可以作為繼電器驅動器，字錘驅動器、燈驅動器、顯示驅動器（LED氣體放電），線路驅動器和邏輯緩沖器。ULN2003的每一對達林頓晶體管的基極都有一個2.7k的串聯電阻，可以直接和TTL或者5V的CMOS裝置連接。它實際上就是一個功率放大器，輸出端具有較大的驅動能力（電流較大）。
??ULN2003的芯片內部原理圖和引腳定義圖如下所示：
2.2 驅動模塊電路圖
??與28BYJ-48配套的ULN2003驅動模塊原理圖如下圖所示：
??該模塊的電路原理比較簡單，具體使用時IN1、IN2、IN3、IN4分別對應A、B、C、D四相，且都為高電平有效。輸入某一相為高電平時對應相的LED指示燈亮起，標識該相目前輸入為有效電平。
三、代碼實現
??博主在寫代碼的時候饒了很多彎路……，最后也參考了一些網上的代碼。參考的文章和課程在文章開頭有所標識。IN1~IN4分別接STM32的PA0，PA1，PA2，PA3，驅動模塊的電源（5V）直接連接到ST-Link的電源輸入口上，驅動模塊與STM32共地。接線圖略。
- Stepper.h
- Stepper.c
??Stepper_RotateByLoop函數中Loop * 2048是博主根據28BYJ-48步進電機的性能參數列表計算和實踐調試所得。這里博主使用四拍驅動方式，如果要使用8拍的半步驅動方式，2048應該改為4096。讀者手中的28BYJ-48的齒輪減速比可能與博主的有所不同(1:16 or 1:64)，根據測試，博主手頭的28BYJ-48的參數如下表所示：
| 28BYJ-48 | 5V | 4 | 5.625° / 32 | 1:32 | 600Hz | 1000Hz |
- Key.c（Key.h在這里省略，在頭文件中將函數進行聲明即可）
- main.c
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的【STM32】步进电机及其驱动（ULN2003驱动28BYJ-48丨按键控制电机旋转）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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