Arduino程序设计（十五）步进电机驱动（28BYJ-48）

前言

• 本文介绍28BYJ-48步进电机驱动原理及实验，主要内容有：
• 1、介绍28BYJ-48步进电机；
• 2、介绍ULN2003驱动板；
• 3、自编程序控制步进电机正转；
• 4、调用库函数控制电机正反转。

一、28BYJ-48步进电机

1、步进电机

• （1）工作原理

• 步进电机通过一系列离散的步进动作来实现旋转。每个电脉冲信号驱动电机转动一个固定的角度，称为步距角。步进电机的控制通常通过一个驱动器（步进驱动器）来完成，该驱动器接受来自控制器的脉冲信号，并将其转换为步进电机的相位信号，从而驱动电机按预定的步进角度转动。

• 简单来说：就是给步进电机不同的相轮流通电，在电磁感应的作用下，每次产生一个很小的角位移，连贯起来就带动了电机的转动，从而驱动负载。

• 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB），后两种常用。

• 步进电机控制特点：

• ① 它是通过输入脉冲信号来进行控制的。

• ② 电机的总转动角度由输入脉冲数决定。

• ③ 电机的转速由脉冲信号频率决定。

• （2）步进电机控制的基本概念

2、28BYJ-48

• 28BYJ-48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。

• 五线：电机外部引出五条线。

• 四相：电机内部的定子上有8个齿，正对着的2个齿上的绕组又是串联在一起的，也就是说正对着的2个绕组总是会同时导通或关断的，如此就形成了4相。
  

• （1）基本参数：

型号	28BYJ48
相数	4相
驱动方式	1-2 相励磁单极驱动，本文选用ULN2003驱动芯片
步距角	5.625°/64 （输出轴），减速比1/64
工作电压	5VDC(电机端子)
线圈电阻	50Ω±7%/相 25℃
最大空载牵出频率	>900pps
最大空载牵入频率	>900pps
牵入转距	>300gf.cm / 5VDC 100pps
绝缘电阻	在引接线和外壳之间施加500VDC，测得绝缘电阻大于10MΩ。
电气强度	在引接线和外壳之间施加50/60Hz 500VAC,时间1分钟，泄漏电流设置为1mA,(或50/60Hz　600VAC，时间1秒钟，泄漏电流设置为1mA），应无击穿或闪络。
电机绕阻温升	电机在5VDC　100HZ,空载运行条件下，电机温升达到稳定状态时，用电阻法测量电机温升应不大于60K。

• 关键参数解释如下：

• ① 相数：4，可独立通电的定子电磁线圈数为4个。

• ② 驱动方式：1-2相励磁单极驱动，采用一相励磁与二相励磁交替导通的方式。
  

• 1相励的意思是，在工作瞬间，只能有1个线圈通电。比如上图，我们依次对A、B、C、D相圈通电。完成一轮以后，中间永磁体转子转动一定的角度。

• 2相励的意思是，在工作瞬间，只能有2个线圈通电。

• 1-2相励的意思就是工作时，1个线圈、2个线圈交替通电。

• 这里有个关于这个过程的单位定义，对某相线圈通电，我们叫做一拍，也叫做一步。

• ③ 步距角：5.625°/64,减速比1/64。
  这里要解释一下，也就是一步转子转动的角度为5.625°。但这里为什么要除以64呢？这是因为28BTYJ-48电极带有减速齿轮箱，可以理解为28BTYJ-48电极是两部分组成，一个步进电机加一个减速部件。这个减速部件将步进电机的转速减慢至1/64。所以最终从转轴上看，每一步转动5.625°/64=0.089°，也就是每一步轴转0.089°。

• （2）28BYJ48结构：

• （3）28BYJ-48工作原理
  

• （4）工作方式：

• ① 四拍驱动：这是最简单的步进电机驱动方式。这种方式，电机在每个瞬间只有一个线圈导通。
  
  
  通俗解释：按顺序给相应引脚拉高(1)拉低(0)。 一个拉高，其他三个拉低。

• ② 八拍驱动：就是在上述四拍切换过程中穿插两个线圈同时拉高的情况。
  
  

• （5）八拍模式绕组控制顺序表（28BYJ-48电机）

• ① 四拍驱动：1→3→5→7
• ② 八拍驱动：1→2→3→4→5→6→7→8
• 注意：实际使用时，上表中空白格默认填充高电平。

二、ULN2003驱动板

• 由于28BYJ-48步进电机消耗大量功率，因此无法直接由Arduino等微控制器控制。为了控制电机，需要使用ULN2003等驱动IC；因此，该电机通常配备基于 ULN2003 的驱动板。
• 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。每个晶体管对可驱动高达 500mA 和 50V 的负载，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内部原理图和引脚定义如下所示：

• 该驱动板使用7对NPN达林顿晶体管中的四对，并且有四个控制输入和一个电源连接。

• 此外，还有一个与电机上的连接器兼容的 Molex 连接器，允许将电机直接插入其中。

• 该板包括四个 LED，用于指示四个控制输入线上的活动。它们在行走时提供良好的视觉指示。

• 板上有一个开/关跳线，用于在需要时禁用步进电机。

1、驱动模块介绍

• 上图是五线四相步进电机驱动模块也叫ULN20003驱动板，该模块使用ULN2003大功率达林顿芯片驱动步进电机。A、B、C、D发光二极管指示四相步进电机工作状态，配有步进电机的标准接口，使用时可直接插拔。驱动板基本参数如下：
  

2、硬件电路连线

3、steper库常用函数

• 注意：
• （1） arduino自带的steper驱动库，查看stepper函数的源代码，使用的是2相励驱动，而规格书中，是1-2相励驱动，所以不可以直接使用。
• （2）修改Stepper.cpp源代码，支持1-2相励模式，Stepper.cpp改动后另存为Stepper_28BYJ48.cpp和Stepper_28BYJ48.h文件。
• （3）库文件百度网盘下载链接：Stepper_28BYJ48。
• （4）Ardunio安装自定义库文件方法，CSDN链接：ardunio中自定义的库文件。

三、步进电机实验

• 28BYJ-48 步进电机空载耗电在50mA 以下，带64 倍减速器，输出力矩比较大，可以驱动重负载，适合开发板使用。注意：此款步进电机带有64倍减速器，与不带减速器的步进电机相比，转速显得较慢，为方便观察，可在输出轴处粘上一片小纸板。其中红色线为VCC，其余4个为4个相位。
• 使用 ULN2003 达林顿驱动芯片驱动步进电机，板载4个LED，可以指示相位状态。
• 步进电机相位控制，如果选择相位A，单片机给驱动板D4引脚高电平，其它D5/D6/D7引脚低电平，达林顿管对应引脚输出电平会翻转，达林顿管输出低电平时候配合VCC，可以驱动A相位。

1、步进电机正转

• （1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能。
• （2）步进电机正转的电路图，如下图所示：

• （3）实现功能：步进电机正向转动，可改变电机转速。
• ① 四拍驱动

代码实现：

//步进电机正向转动，可改变电机转速（四拍驱动）

#include <Arduino.h>

#define A1 4			//引脚命名
#define B1 5
#define C1 6
#define D1 7


void setup()
{
	pinMode(A1,OUTPUT);		//设置引脚为输出引脚
	pinMode(B1,OUTPUT);
	pinMode(C1,OUTPUT);
	pinMode(D1,OUTPUT);
}

void loop()
{
	Phase_A();			//设置A相位
	delay(5);			//改变延时可改变旋转速度

	Phase_B();			//设置B相位
	delay(5);

	Phase_C();			//设置C相位
	delay(5);

	Phase_D();			//设置D相位
	delay(5);

}

void Phase_A()
{
	digitalWrite(A1,HIGH);		//A1引脚高电平	
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_B()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,HIGH);		//B1引脚高电平	
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_C()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,HIGH);		//C1引脚高电平	
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_D()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,HIGH);		//D1引脚高电平	
}

• ② 八拍驱动

代码实现：

//控制28BYJ48电机，八拍驱动，正转一圈

#include <Arduino.h>

#define A1 4			//引脚命名
#define B1 5
#define C1 6
#define D1 7


void setup()
{
	pinMode(A1,OUTPUT);		//设置引脚为输出引脚
	pinMode(B1,OUTPUT);
	pinMode(C1,OUTPUT);
	pinMode(D1,OUTPUT);
}

void loop()
{
	Phase_A();			//设置A相位
	delay(2);			//改变延时可改变旋转速度

	Phase_AB();			
	delay(2);

	Phase_B();			//设置B相位
	delay(2);

  Phase_BC();			
	delay(2);

	Phase_C();			//设置C相位
	delay(2);

  Phase_CD();			
	delay(2);

	Phase_D();			//设置D相位
	delay(2);

  Phase_DA();			
	delay(2);

 
}

void Phase_A()
{
	digitalWrite(A1,HIGH);		//A1引脚高电平	
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_AB()
{
	digitalWrite(A1,HIGH);		//A1引脚高电平		
	digitalWrite(B1,HIGH);		//B1引脚高电平	
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_B()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,HIGH);		//B1引脚高电平	
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_BC()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,HIGH);		//B1引脚高电平	
	digitalWrite(C1,HIGH);		//C1引脚高电平	
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_C()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,HIGH);		//C1引脚高电平	
	digitalWrite(D1,LOW);
}

void Phase_CD()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,HIGH);		//C1引脚高电平	
	digitalWrite(D1,HIGH);		//D1引脚高电平	
}

void Phase_D()
{
	digitalWrite(A1,LOW);	
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,HIGH);		//D1引脚高电平	
}

void Phase_DA()
{
	digitalWrite(A1,HIGH);		//A1引脚高电平		
	digitalWrite(B1,LOW);
	digitalWrite(C1,LOW);
	digitalWrite(D1,HIGH);		//D1引脚高电平	
}

• （4）实现现象（部分显示）：
  
  

2、步进电机正反转

• （1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能。
• （2）步进电机正反转的电路图，如下图所示：

• （3）实现功能：八拍驱动，步进电机正转一圈，反转一圈。

• （4）注意：编译代码前，需要下载安装自定义的 Stepper28BYJ48 库文件，并在程序中添加 #include <Stepper28BYJ48.h> 头文件 。

代码实现：

//控制28BYJ48电机，八拍驱动，正转一圈，反转一圈


#include <Stepper_28BYJ48.h>
 
const int stepsPerRevolution = 4096;  //28BYJ48电机旋转一周需要的步数
 
 
// 电机接在引脚4 ~ 7: 电机线依次为蓝，粉，黄，橙
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 4, 5, 6, 7);
 
int stepCount = 0;         // number of steps the motor has taken
 
void setup() {
  // initialize the serial port:
  Serial.begin(9600);
  
  //设置电机转速r/min
  myStepper.setSpeed(5);
}
 
void loop() {
  // 正转一圈
  myStepper.step(stepsPerRevolution);
  Serial.print("steps:" );
  Serial.println(stepsPerRevolution);
  delay(1000);
  
  // 反转一圈
  myStepper.step(-stepsPerRevolution);
  Serial.print("steps:" );
  Serial.println(-stepsPerRevolution);
  delay(1000);

}

• （5）实现现象（部分显示）：
  
  

总结

• 本文主要介绍28BYJ-48步进电机的工作原理及两个步进电机驱动实验，通过上述学习，掌握使用Arduino库函数控制28BYJ-48步进电机，实现预设功能。

参考资料1: 使用 ULN2003 驱动器和 Arduino 控制 28BYJ-48 步进电机
参考资料2: 初学51单片机基础知识与步进电机28BYJ-48详解
参考资料3: 28BYJ-48步进电机详解（五线四相 STM32）
参考资料4: 28BYJ-48步进电机详述
参考资料5: STM32驱动步进电机（原理、程序、解决电机只震动不转动问题）
参考资料6: 【STM32】步进电机及其驱动（ULN2003驱动28BYJ-48丨按键控制电机旋转）
参考资料7: 步进电机28BYJ-48的驱动（arduino，STM32平台），最全的驱动详细原理，驱动电路分析，驱动代码解释）
参考资料8: Arduino 控制 28BYJ-48 步进电机详解