【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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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）

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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 $\theta$。步进角$\theta$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$\theta$；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。

  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：

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。
  

• 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$\theta$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。
  

• 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。
  

2. 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。
3. 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

4. 按定子数分类

• 单定子式
• 双定子式
• 三定子式
• 多定子式

5. 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：

  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：$A\to B\to C\to D\to A\to ...$，依次循环，步距角$\theta =90°$。
   

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$AB\to BC\to CD\to DA\to AB\to ...$，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$\sqrt{2}$倍）。
   

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：$A\to AB\to B\to BC\to C\to CD\to D\to DA\to A\to ...$，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。
   

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$A^{+}$和$A^{-}$，$B^{+}$和$B^{-}$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
   

2. 双相整步驱动
   

3. 半步驱动
   

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。

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 $n$ 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 $AB\to BC\to CD\to DA\to AB\to ...$，四相八拍运行方式即 $A\to AB\to B\to BC\to C\to CD\to D\to DA\to A\to ...$
• 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：

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：

  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-48	5V	4	5.625° / 32	1:32	600Hz	1000Hz

• 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);
		}
	}
}

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