Arduino入门教程：11、直流步进驱动

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一、步进电机与直流电机：

1-1、什么是直流电机？

直流电机是最常见的电机类型。直流电动机通常只有两个引线，一个正极和一个负极。如果将这两根引线直接连接到电池正负极，电机将旋转，如果切换引线，电机将以相反的方向旋转，通过改变提供给电机的电压，您可以改变电机的速度。

1-2、什么是步进电机？

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的电机，它可以实现更精准的位置控制。

现在想象一个打印机。打印机内有很多移动部件，包括电机。一个电机用作进纸，当墨水开始印在纸上时旋转滚轴移动纸张。此电机需要能够将纸张移动一个精确的距离，以便能够打印下一行文本或图像的下一行。

1-3、直流电机与步进电机的对比：

直流电机：

优点：价格低、控制方便
缺点：由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。

步进电机：

优点：低速扭矩大，控制更精准，成本相对低；
缺点：步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声，同时，步进电机是开环控制，控制精度和速度都没有伺服电机那么高。

二、思考？为什么Arduino芯片引脚不能直接接步进电机或直流电机？但可以直接接舵机？

这要从舵机的构造说起，控制芯片+电机组成，Arduino实际接的是控制芯片引脚，而不是电机本身。

而步进电机和直流电机内部是没有控制芯片的，如果使用Arduino直接接电机，因为Arduino芯片引脚驱动能力弱而驱动不起甚至损坏芯片，ESP32每个IO的最大电流为40mA，一般步进电机跑起来可能需要几百mA到几A。

驱动能力可以理解为引脚的可以输出的力气，如果力气过小，当然推不动电机运行。

三、如何提升驱动能力呢？

下图就是应用三极管的开关功能，使芯片IO的驱动能力提高。

上图可以简单理解为三极管开关电路，通过控制输入口的电平高低，就可以控制后端电路的开启关闭。

四、直流电机的控制？

4-1、控制转/停

#include <Arduino.h>int motorPin1 = 18;void setup() {pinMode(motorPin1, OUTPUT);
}void loop() {digitalWrite(motorPin1, HIGH);delay(2000);digitalWrite(motorPin1, LOW);delay(2000);
}

4-2、控制转速

直流电机的速度可以通过改变其输入电压来控制，使用单片机控制转速可以通过PWM控制。

PWM是一种通过发送一系列ON-OFF脉冲来调整输入电压平均值的技术。该平均电压与脉冲的宽度成正比，称为占空比。

占空比越高，施加到直流电机的平均电压就越高，从而导致电机速度增加。占空比越短，施加到直流电机的平均电压越低，导致电机速度降低。

下图显示了具有各种占空比和平均电压的PWM技术。

Arduino的PWM函数：

analogWrite(pin, value)
pin：引脚号码
value：0到255之间的PWM频率值, 0对应0%, 255对应100%

#include <Arduino.h>
int motorPin1 = 18;
int speed = 0;void setup() {pinMode(motorPin1, OUTPUT);Serial.begin(9600);Serial.println("Speed 0 to 255");
}void loop() {speed  = speed + 10;if(speed >= 255)speed = 0;analogWrite(motorPin1, speed);delay(1000);
}

4-3、控制方向

前面我们都只是控制电机往一个方向转动，如果需要更换方向，就需要重新接线，那如果需要自动控制电机的正反转呢？这就需要升级下电路。

下面电路被称为H桥，是因为它使用四个晶体管连接，使示意图看起来像一个“H”。

为了控制直流电机的旋转方向，无需互换引线，可以使用称为H桥的电路。H桥是可以双向驱动电机的电子电路。H桥用于许多不同的应用中。最常见的应用之一是控制机器人中的电机。

如果需要使用多个三极管，一个一个连接太麻烦了，有没有更好的方式呢？当然有，L293D、L298都是集成H桥的芯片。

L293D是一款双桥驱动芯片，可同时驱动两路直流电机或一路步进电机，输出电流可达600mA，峰值输出电流可达1.2A，内部自带ESD保护，模块工作电压5V，电机的驱动电压范围为4.5V-36V。

L293D驱动直流电机电路：

注意：这里使用5V供电，如果是新版本的板卡，供电的TYPEC要接上，另外，要注意编译的工程是自己代码对应的工程

#include <Arduino.h>int motorPin1 = 18;
int motorPin2 = 19;void setup() {pinMode(motorPin1, OUTPUT);pinMode(motorPin2, OUTPUT);
}void loop() {digitalWrite(motorPin1, HIGH);digitalWrite(motorPin2, LOW);delay(2000);digitalWrite(motorPin1, LOW);digitalWrite(motorPin2, LOW);delay(2000);digitalWrite(motorPin1, LOW);digitalWrite(motorPin2, HIGH);delay(2000);digitalWrite(motorPin1, LOW);digitalWrite(motorPin2, LOW);delay(2000);
}

关于L298的使用，我们将在这里使用L298 H桥 IC。L298可以控制直流电机和步进电机的速度和方向，并可以同时控制两个电机。每个电机的额定电流为2A。

五、步进电机的控制？

5-1、28BYJ-48步进电机

28BYJ-48步进电机为五线四相永磁式步进电机，

其名称含义为：

“28”为电机直径28mm，

B为步进电机，

Y表示电机为永磁式，

J表示内部自带减速箱，

48表示驱动方式为四相八拍；

• 四相：ABCD四相，4组线圈

• 八拍：线圈通电顺序(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)，一拍转一个步距角。

28BYJ48规格书

5-2、步进电机运动原理：

步进电机中间的转子是一个磁铁，周围线圈在通电时会形成磁场，然后把转子吸过来，如果周围线圈按照一定的顺序逐个通电断电时，转子就会被带动转起来。

所以，使用L293D、L298，按顺序驱动四组线圈就可以驱动步进电机啦：

但在这里还是给大家介绍另一款芯片，ULN2003A。

5-3、ULN2003A

ULN2003的每一路由两个三极管复合成的，可以把它理解为一个三极管，但比一个三极管的电流放大倍数大了很多，提高了电流驱动能力。

ULN2003A参数：

在单个 ULN2003 芯片中有 7 个驱动器，因此最多可以控制7 个负载。每个驱动器可以处理最大 500mA 的负载，而峰值为 600mA，最大输出电压为 50V。

ULN2003A原理：

有兴趣可以了解下，不看也不影响学习，就像你需要用笔写字，你不必知道笔内墨水和笔芯的材料、组成原理一样，你只需要知道这支笔可以写出黑色的文字，然后在这个基础上，去进行创作即可。

Input B：输入端可以是TTL 3.3V也可以是CMOS 5V电路（一般单片机直接输入就可以）。

Output C：开路输出，一般有感性负载和电阻负载。

COM：根据负载类型不同而决定，如果是感性负载，需要接感性负载的同一电源。如果是电阻负载，COM可以悬空不接。COM端的二极管为续流二极管，COM口主要提供保护电势作用，如接的是感性负载，用于抑制感性负载所产生的感应电势，COM口并不提供电源信号。

驱动逻辑：

当B输入高电平时，C为低电平（和E导通）。

当B输入低电平时，C为高阻态。

ULN2003应用：

整体看下来：引脚1-7是输入信号；引脚10-16是输出信号，引脚8接地，引脚9接VCC。

• 引脚1输入RL信号，相对应的输出引脚16控制的是一个继电器。当引脚1输入高电平，继电器开启；
• 引脚2-5输入D、C、B、A信号，相对应的输出引脚15、14、13、12作为四相来控制四相五线步进电机；
• 引脚6输入SPK信号，相对应的输出引脚11控制的是一个喇叭。当引脚6输入高电平，喇叭开启；
• 引脚7输入M0T信号，相对应的输出引脚10控制的是一个直流电机。当引脚6输入高电平，直流电机启动。

这个时候大概就能理解ULN2003的本质了：

由于单片机的引脚输出电流太低了，无法驱动大部分的设备。而ULN2003只相当于是一个开关，设备（负载）的供电是在外围电路上，而它能够通过微弱的单片机输出电流来控制外围电路的开闭。这某种程度上也可以说是，放大电流，增加驱动能力。

ULN2003A有四条线(A、B、C、D)用来控制电机的旋转，使用八拍方式来驱动电机的旋转，A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，八拍驱动方式逻辑时序如下表所示。

步进	A	B	C	D	1/1减速比	1/64减速比
0	ON	OFF	OFF	OFF	步距角5.625°	每步5.625°/64
1	ON	ON	OFF	OFF
2	OFF	ON	OFF	OFF
3	OFF	ON	ON	OFF
4	OFF	OFF	ON	OFF
5	OFF	OFF	ON	ON
6	OFF	OFF	OFF	ON
7	ON	OFF	OFF	ON

接线：

注意，这里用3V3供电，如果使用5V供电，供电的TYPEC接口要接上。

参考代码：

#include <Arduino.h>// 电机引脚
#define PIN_MOTOR_AP 23
#define PIN_MOTOR_AM 22
#define PIN_MOTOR_BP 21
#define PIN_MOTOR_BM 19uint8_t motor_pos = 0;uint8_t motor_table[8][4] ={{1, 0, 0, 0},{1, 1, 0, 0},{0, 1, 0, 0},{0, 1, 1, 0},{0, 0, 1, 0},{0, 0, 1, 1},{0, 0, 0, 1},{1, 0, 0, 1},
};void motor_io_control(uint8_t motor_pos)
{digitalWrite(PIN_MOTOR_AP, motor_table[motor_pos][0]);digitalWrite(PIN_MOTOR_AM, motor_table[motor_pos][1]);digitalWrite(PIN_MOTOR_BP, motor_table[motor_pos][2]);digitalWrite(PIN_MOTOR_BM, motor_table[motor_pos][3]);
}void motor_io_control_type2(uint8_t motor_pos){if(motor_pos == 0){digitalWrite(PIN_MOTOR_AP, 1);digitalWrite(PIN_MOTOR_AM, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_BP, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_BM, 0);}else if(motor_pos == 1){digitalWrite(PIN_MOTOR_AP, 1);digitalWrite(PIN_MOTOR_AM, 1);digitalWrite(PIN_MOTOR_BP, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_BM, 0);}else if(motor_pos == 2){digitalWrite(PIN_MOTOR_AP, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_AM, 1);digitalWrite(PIN_MOTOR_BP, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_BM, 0);}else if(motor_pos == 3){digitalWrite(PIN_MOTOR_AP, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_AM, 1);digitalWrite(PIN_MOTOR_BP, 1);digitalWrite(PIN_MOTOR_BM, 0);}//TODO XXXXX 4 5 6 7
}/*** @brief 控制电机运行** @param steps 大于0正向运行，小于0反向运行*/
void motor_run_step(int steps)
{if (steps == 0)return;if (steps > 0){while (steps){motor_io_control(motor_pos);motor_pos++;if (motor_pos >= 8){motor_pos = 0;}delay(4);steps--;}}else{steps = abs(steps);while (steps){motor_io_control(motor_pos);if(motor_pos > 0){motor_pos --;}elsemotor_pos = 7;delay(4);steps--;}}
}void init_motor()
{pinMode(PIN_MOTOR_AP, OUTPUT);pinMode(PIN_MOTOR_AM, OUTPUT);pinMode(PIN_MOTOR_BP, OUTPUT);pinMode(PIN_MOTOR_BM, OUTPUT);digitalWrite(PIN_MOTOR_AP, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_AM, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_BP, 0);digitalWrite(PIN_MOTOR_BM, 0);
}void setup() {init_motor();
}void loop(){motor_run_step(800);delay(1000);motor_run_step(-800);delay(1000);
}