详解步进电机原理及其正反转驱动程序(51单片机)
一、步进电机基本原理
1.开环
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
2.工作状态
非超载时，电机转速、转过的角度取决于脉冲信号的频率和脉冲数。
3.线性关系
给电机施加一个脉冲，电机转过一个步距角；角位移量/线位移量与电脉冲数成正比。
二、步进电机驱动方式
单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 驱动是步进电机最常采用的两种驱动方式。
1.单极性驱动电路
使用4个晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图一所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有5条线与外界连接。 图一中五线式步进电机虽又称为单极性步进电机，但实际上既可使用单极性驱动电路，也可使用双极性驱动电路。
2.双极性驱动电路
则如图二所示，它会使用8个晶体管来驱动两组相位，其中四颗下端晶体管通常是由MCU直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路可以驱动四线式或六线式步进电机，而四线式电机只能使用双极性驱动电路。
3.两种驱动方式的区别：
1.双极性驱动四相步进电机的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍。
2.双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，而单极性驱动电路需要箝位电路，如下图所示，ULN2003数据手册给出的典型值为1.7V。
三、五线四相电机28BYJ-48
1. 28BYJ-48介绍
28——步进电机最大外径为28mm
B——步进电机
Y——永磁式
J——减速电机
48——四相八拍工作方式
注意：步进电机有一个性能参数叫空载启动频率，其决定了输入脉冲的频率，此电机的启动频率在500Hz以上，因此输入脉冲要间隔2ms以上。
2.八拍工作模式
八拍工作方式的英文名是half-stepping，英文表达很形象，转子从A转到AB中间，再有AB中间转到B，好似每次只走了半步。因此线圈通电顺序是：A-AB-B-BA’-A’-A’B’-B’-B’A（我用A‘代替了图中的“A非”）。
八拍工作模式最大的好处就是扭矩大。
PS：四相电机的叫法可能存在一定问题（误导性），因为准确说它其实只有两组相位，四相=两组相位，图一中的定子也是成对命名的（A+/A-，B+/B-），所以图一中的步进电机更好的称呼是双相位五线式步进电机。当然主流叫法仍是五线四相，叫起来顺口，还是尽量使用“四相”称呼以方便交流。
四、步进电机驱动电路（ULN2003）
本实验采用较简单的ULN2003芯片（TI公司），给电机提供大电流，最高输出500mA。不能直接使用单片机I/O引脚直接驱动，哪怕是推挽输出模式的电流也不够。
1.内部电路
2.逻辑功能框图
每一个反相器就是一个NPN达林顿管，B（基极）是输入，C（集电极）是输出。
亦可使用L298N芯片（双H桥）驱动。
五、实物图连接
笔者用的普中51开发板外接的ULN2003模块，因为看中外接模块的LED灯，便于通过灯的亮灭观察电机的工作方式。（此开发板板载有ULN2003芯片只是没有灯）
1.ULN2003模块
ULN2003的IN1-IN4分别接51单片机的P1.0-P1.4管脚，驱动模块的GND/VCC 5V 接普中A2开发板上的地和电源。
2.独立按键
使用普中A2开发板上的K4按键，K4按键接单片机的P3.3管脚。
六、Show me the code.
欢迎“拍砖”
#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
sbit k4 = P3^3;
bit keystatus = 1; //按键状态
unsigned char code Forward_Rotation[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//八拍正转
unsigned char code Reverse_Rotation[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//八拍反转
void Timer0Init();
void delay(u16 i);
/*
实验目标：通过一个按键（微动开关）控制电机的正反转，按一下切换电机转动方向。
应用知识：定时器中断用于按键的消抖，没有使用传统的延时消抖。
*/
void main()
{
u8 direction; //电机转动方向，0为正转，1为反转
Timer0Init();
while (1)
{
u8 i;
if(keystatus == 0)
count++;
if(count == 2)
count = 0;
direction = count;
if(direction == 0) //正转
{
for(i=0;i<8;i++)
{
P1=Forward_Rotation[i];
delay(300);
}
}
if(direction == 1) //反转
{
for(i=0;i<8;i++)
{
P1=Reverse_Rotation[i];
delay(400);
}
}
}
}
void delay(u16 i)
{
while(i--);
}
void Timer0Init() //定时器0初始化
{
EA=1; //打开总中断
TMOD=0X01; //选择为定时器 0 模式，工作方式 1，仅用 TR0 打开启动。
TH0=0XF8; //给定时器赋初值，定时2ms
TL0=0XCD;
ET0=1; //打开定时器 0 中断允许
TR0=1; //打开定时器
}
void InterruptTimer0() interrupt 1 //中断服务函数，用于按键状态的扫描以及消抖
{
static unsigned char keybuf = 0XFF;
TH0 = 0XF8; //重新加载定时器初值
TL0 = 0XCD;
keybuf = (keybuf<<1) | k4;
if (keybuf == 0x00)
keystatus = 0; //连续八次扫描都为0，则说明按键被按下
if (keybuf == 0xFF)
keystatus = 1; //连续八次扫描都为1，则说明按键已抬起
}
对于按键消抖当然也可采用延时消抖，定时器中断权当练习吧。
七、总结
1.步进电机有三种优点
1.步进电机依靠电脉冲信号（数字信号）进行转动，使用单片机控制很合适，符合数字化的发展趋势。
2.能够较准确地转过一定角度（一般是360度以内），实际应用场景：比如空调叶片的上下或左右扫风，转过角度是180度以内。
3.凭借其开环控制成本较低的优势，步进电机在精度要求较低的场景得到广泛应用。
2.收获
本实验只是实现了让电机转起来，没有通过脉冲个数控制步进电机转过一定角度，难免有些大材小用。但通过正反转实验能基本了解步进电机的工作原理及其驱动方式。