一.步进电机工作原理

1.基本原理

步进电机工作原理相比直流电机更复杂一些，网上资料也较多，我也不做过多讲解。下面贴出的是我认为讲的比较好的原理介绍。
步进电动机
步进电机及其工作原理

2.相关总结

★步距角：改变一次通电状态（或者说一个脉冲信号）电机转子对应转过的角度。θ=360°/(z*n)，θ是步距角，z是转子齿数，n是工作拍数。
★在非超载情况下，电机的转速和停止位置只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数；
★脉冲数越多，转动角度越大；频率越高，转动速度越快（不能超过电机规定的最高频率）。

二.单极性步进电机驱动（以ULN2003芯片+28BYJ-48电机为例）

1.28BYJ-48四相五线步进电机介绍

在这里插入图片描述

28：步进电机的有效最大外径是28毫米
B：表示是步进电机
Y：表示是永磁式
J：表示是减速型（减速比1:64）
48：表示四相八拍
(实际应用中，此种步进电机用的不多，更常见到是后面介绍的双极性两相步进电机）

★该电机是4相，最多可采用8拍的工作方式，此时步距角最小，为5.625°。但是此步进电机还配有减速齿轮，减速比为1：64。因此，实际上每拍电机转动5.625/64≈0.08789°，即转动一圈需要4096拍。

★使用时就简单看成下面这幅图即可（仔细推敲会发现这个图算出步距角与此电机给的并不相符。因为实际上28BYJ-48电机的内部结构与此有些差异。具体可看这篇文章：步进电机28BYJ(个人总结版)。）

在这里插入图片描述
此为该图片原文链接：28BYJ-48单极性步进电机。个人认为此文分析有误，感兴趣可以推敲一下。

★该电机属于单极性电机，即有一个公共端（红线，接VCC），只需对其余四根线对应施加低电平即可实现转动。每相中的电流只有一个流向。
有以下几种工作方式：（A相-橙线，B相-黄线，C相-粉线，D相-蓝线）
1.单四拍：A—B—C—D；
2.双四拍：AB—BC—CD—DA；

3.八拍：A—AB—B—BC—C—CD—D—DA；
以八拍为例：（如果要改变转动方向只需从后向前变化：⑧->⑦·····②->①，四拍也是如此）

拍序号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
红线 COM 1 1 1 1 1 1 1 1
橙线 A相 0 0 1 1 1 1 1 0
黄线 B相 1 0 0 0 1 1 1 1
粉线 C相 1 1 1 0 0 0 1 1
蓝线 D相 1 1 1 1 1 0 0

0

比较：双四拍由于每拍两相通电，因此比单四拍输出的扭矩更大。八拍工作时的步距角是四拍工作时的1/2，即精度更高。

经测试，空载时正常工作的频率范围约200Hz~2000Hz。(每个电机性能可能略有差异）

2.ULN2003芯片介绍

ULN2003是一种新型的七路高耐压、大电流达林顿晶体管驱动IC。可用于驱动继电器、电磁阀、步进电机等。每路输出电流可达500mA。使用上面的28BYJ-48步进电机时多会选择此芯片进行驱动。

①内部逻辑框图

在这里插入图片描述

1~ 7脚为输入口；
8脚接地；
9脚为公共端COM(具体使用后面介绍）；
10~16脚为对应输出口。

★从驱动的逻辑图可看出，此芯片实际类似于一个反向器，若输入口为高电平，输出口对应低电平；输入低电平，输出对应高电平。

②内部结构原理

在这里插入图片描述

★此即为一路输入输出的内部结构图，原理十分简单。两个NPN三极管构成达林顿结构，提高了电流放大倍数。其中基极B连接输入脚；集电极C连接输出脚；COM为公共端，所接的二极管即上面逻辑框图中的二极管。

★当基极B为高电平时，三极管导通，电流可通过三极管到地（开启）；当基极B为低电平时，三极管截止，电流无法到地（关闭）。类似于一个三极管开关电路。

★公共端COM接二极管实际上是提供一个续流回路，接感性负载时（如继电器，步进电机等），需要将其接到负载电源上。如下图所示：这样就可以在断开后释放感性元件上储存的能量，防止烧坏其他元件。（Tip：如果驱动的是阻性元件，则不需要接，悬空即可）。
在这里插入图片描述

③步进电机接法

用ULN2003对此步进电机进行驱动十分简单，基本不需要外接任何元件。如下图所示：
在这里插入图片描述

★其中接电阻和发光二极管可以起到指示的作用，当一相导通时对应LED会亮（如果不需要，可去掉）。

★ULN2003的输入端接单片机的I/O口。需注意：ULN2003内部是反相器，编程时输入要对应取反。

④补充

★ULN2003中达林顿结构的开启电压在2.5V左右，因此3.3V逻辑电平的单片机也是可以驱动的。只是相比5V的逻辑电平驱动，最大输出电流可能会有所减小。（三极管的特性）

三.双极性步进电机驱动（以双H桥芯片+42步进电机为例）

1.双极性相关介绍

对于双极性步进电机与单极性的差别可以看下面两篇文章：
双极性步进电机知识
单极性驱动和双极性驱动的区别

简单来说：单极性步进电机工作时，每相线圈绕组中电流是单向的，通过每相的轮流导通来控制转动；而双极性步进电机工作时，每相线圈绕组中电流是双向的，通过切换电流流向以及每相的轮流导通共同控制转动。

因此双极性步进电机的驱动方式较为复杂。

2.42步进电机

在这里插入图片描述
42步进电机是一款2相4线的步进电机。其中42是指安装机座尺寸是42mm。八拍工作时，步距角最小，为1.8°。

内部原理可简单看成下图：（想了解42步进电机的内部拆解可点击此链接）
在这里插入图片描述

★如上图所示，通过A、B两相的导通以及每相中电流方向的改变可以改变定子上的磁极，从而实现转动。虽然原理相比单极性有所改变，但控制的逻辑基本类似。

★上图的左下角是一般情况下对应的接线。（如有不同，以购买的说明为准）

★下面说明控制逻辑：
1.单四拍：A — B — A- — B-；
2.双四拍：AB — BA- — A-B- — B-A；
3.八拍：A — AB — B — BA- — A- — A-B- — B- — B-A；
仍以八拍为例：（如果要改变转动方向只需从后向前变化：⑧->⑦·····②->①，四拍也是如此）

拍序号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
黑线 A 1 1 0 0 0 0 0 1
绿线 A- 0 0 0 1 1 1 0 0
红线 B 0 1 1 1 0 0 0 0
蓝线 B- 0 0 0 0 0 1 1

1

3.一般的双H桥芯片（以DRV8833为例）

在直流电机驱动时已经具体介绍了此芯片，此处不再赘述。其他类似的双H桥芯片均是同样原理。

①.内部框图及接线方式

在这里插入图片描述

如上图所示将42步进电机的四根线依次接到两个H桥的输出端。通过输入端的逻辑控制改变H桥的工作方式，从而实现步进电机的转动。

②.逻辑控制

在这里插入图片描述

★此为其中一个H桥的逻辑控制表。在用此类芯片驱动步进电机时，只需关注正反转两种工作方式，驱动直流电机时的衰减模式和PWM控制此时均不需要。（衰减模式将在后面一种芯片中使用到）

★从上表可发现：IN和OUT的电压高低是对应的。因此当把两个H桥的输入接到单片机的I/O后，只需根据上面42步进电机不同工作方式（四/八拍）的逻辑对应设置，即可正常驱动此电机。

4.专用的双H桥芯片（以DRV8825为例）

在这里插入图片描述

①基本介绍
★DRV8825同样是一款集成了双H桥的PWM电机驱动芯片，专门用于驱动两相步进电机。

★内部集成了一个专门用于控制步进电机的1/32微步进分度器，也就是常说的细分。

★输入的驱动电压为8.2~45V，输出峰值电流为2.5A。

★与DRV8825基本相同的还有一款A4988芯片，最大不同在于此芯片最多16细分，网上也有其对应模块。

在这里插入图片描述

②引脚功能

在这里插入图片描述

引脚名称 引脚标号 I/O 功能 引脚名称 引脚标号 I/O 功能
CP1 1 I/O 用于外接电荷泵的飞跨电容，需在CP1和CP2之间接一个0.01uF，耐压50V的电容 V3P3OUT 15 O 3.3V电压输出，需要一个0.47uF，耐压6.3V的陶瓷电容接地
CP2 2 I/O 同1脚 nRESET 16 I 复位控制输入，低电平时初始化分度器逻辑并关闭H桥输出
VCP 3 I/O 提供高端基极驱动电压，需接一个0.1uF耐压16V的陶瓷电容和一个1MΩ的电阻到VM nSLEEP 17 I 睡眠模式控制输入，低电平时进入低电压睡眠模式，高电平使能芯片
VMA 4 – H桥A的驱动电压，需接一个0.1uF的旁路电容到地 nFAULT 18 OD 当温度过高或通过电流过大时会输出低电平进行提示
AOUT1 5 O H桥A的输出1 DECAY 19 I 电流衰减模式选择：低电平时为慢衰减，高电平时为快衰减，悬空/高阻态时为混合衰减
ISENA 6 I/O H桥A的电流控制，可通过一个电阻接地限制电流(不限电流时直接接地） DIR 20 I 方向控制输入，高低电平代表不同方向
AOUT2 7 O H桥A的输出2 nENBL 21 I 使能输入 ，高电平关闭芯片，低电平打开芯片
BOUT2 8 O H桥B的输出2 STEP 22 I 步输入
ISENB 9 I/O H桥B的电流控制，可通过一个电阻接地限制电流(不限电流时直接接地） NC 23 – 空脚
BOUT1 10 O H桥B的输出1 MODE0 24 I 和MODE1、MODE2一起进行微步进(细分)模式控制，具体对应下面贴出
VMB 11 O H桥B的驱动电压，需接一个0.1uF的旁路电容到地,必须和VMA所接电压相同 MODE1 25 I 同上
AVREF 12 I H桥A电流限制时的比较参考电压，可以接在V3P3OUT引脚上 MODE2 26 I 同上
BVREF 13 I H桥B电流限制时的比较参考电压，可以接在V3P3OUT引脚上，一般和AVREF相同 nHOME 27 OD 当转到homestate位置时输出一个低电平
GND 14 – 接地端 GND 28 – 接地端

此芯片很多引脚都与一般的双H桥芯片类似，有以下几点不同：

★1.不再是以AIN1、AIN2这样的引脚来控制H桥，而是直接集成为一个STEP脚，只需对其输入脉冲，便可实现步进电机的转动。

★2.控制DIR引脚的高低电平可直接实现正反转；控制DECAY引脚的高低电平可实现衰减模式的切换。

★3.nHOME脚，从上电开始电机转过45°的位置是home state.电机转到home state时nHOME脚会输出一个低电平。

★4.三个MODE脚的组合便可实现不同细分度的切换。

注： 很多H桥芯片中都会出现VCP这样的脚，具体可查询电荷泵的工作原理（飞跨电容、飞跨二极管等）

③细分的介绍

简单点理解：所谓细分，其最终效果就是可以将步进电机的步距角再一次减小。
★例如：上述电机的步距角为1.8°，即转一圈需要200个脉冲。此时如果把芯片控制为1/8细分，那么就会变成转一圈需要1600个脉冲。

同时需要注意：细分的主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高运转精度只是附带功能。如果细分度过大，电机无法达到，也会出现输入多个脉冲才会产生一次转动的现象。
在电机实际使用时，如果对转速要求较高，且对精度和平稳性要求不高的场合，不必选大细分。如果转速很低情况下，应该选大细分，确保平滑，减少振动和噪音。

有关细分的具体原理可看下面这篇文章：
步进电机的细分控制原理

DRV8825细分控制表：
在这里插入图片描述

④补充

网上模块的原理图：
在这里插入图片描述

★如上图，模块中常常有一个电位器接在电流比较的参考电压引脚上。通过改变比较电压从而调节H桥可通过的最大电流。

★DECAY脚悬空，默认为混合衰减模式。（此模式为快慢衰减结合，具体原理可百度）

★由于nSLEEP和nRESET两个引脚内部均有下拉电阻(即不接时默认为低电平)；而nFAULT脚通过内部的三极管，默认为高电平(具体可看手册中的框图)。因此，在模块中通过电阻R5将nFAULT脚和nSLEEP相连，使得nSLEEP也默认变为高电平(不进入睡眠模式)。当过温或过流时，nFAULT输出低电平，这不仅会在模块输出口反应出来(右边的7脚)，还会使nSLEEP变为低电平，从而进入睡眠模式。在使用此模块使常常将nSLEEP和nRESET脚相连(左边的3、4脚)，从而使nRESET也受到相同的控制效果。