请问STM32如何控制ULN2003驱动步进电机28BYJ-48？

步进电机

步进电动机又称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。
传送门：一文搞懂步进电机特性、原理及驱动器设计
28BYJ-48步进电机






28BYJ-48永磁式减速单极性步进电机

• 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
  传送门：28BYJ-48单极性步进电机
  
  

28BYJ-48步进电机的励磁方式

• 1相励磁
     
  

      励磁控制：一瞬间步进电机只有一个线圈导通，没送一个励磁信号，步
  进电机转动一个角度。
  特点：精确度好，消耗电力小，但输出转矩最小，振动较大。
     

  
  
• 2相励磁
     
  

      励磁控制：一瞬间步进电机有两个线圈导通。
  特点：输出转矩最大，振动较小。
     

  
  
• 1-2相励磁
     
  

      励磁控制：1相励磁和2相励磁交替导通。
  特点：分辨率高，运转平滑，应用广。
     

  
  
  

28BYJ-48采用以上方式都可行，相较1相励磁和2相励磁来说，1-2相励磁方式应用更广。1-2相励磁驱动28BYJ-48获得更小的步进角度，运转更平滑，但同时28BYJ-48的转矩会随着1-2相励磁交替改变。
ULN2003






ULN2003驱动板
ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。





ULN2003驱动原理



ULN2003驱动28BYJ-48接线
在实际使用中，只需要使用单片机的IO接ULN2003驱动板的IN1-IN4即可，当然，单片机和模块需要共地。

代码实现
（使用STM32F103C8最小系统板）


创建step_motor.c和step_motor.h文件，并在step_motor.h中进行宏定义4个IO口，如下：
/* 宏定义 ------------------------------------------ */
/* 步进电机1参数宏 */
#define LA PAout(1)     /* A相 */
#define LB PAout(2)     /* B相 */
#define LC PAout(3)     /* C相 */
#define LD PAout(4)     /* D相 */


/* A相 */
#define LA_GPIO_PORT    GPIOA
#define LA_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
#define LA_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
/* B相 */
#define LB_GPIO_PORT    GPIOA
#define LB_GPIO_PIN     GPIO_Pin_2
#define LB_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
/* C相 */
#define LC_GPIO_PORT    GPIOA
#define LC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_3
#define LC_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
/* D相 */
#define LD_GPIO_PORT    GPIOA
#define LD_GPIO_PIN     GPIO_Pin_4
#define LD_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA


在step_motor.c中初始化端口，代码如下：
/**
* @name: Step_Motor_Init
* @description: 步进电机初始化端口
* @param {*}
* @return {*}
*/
void Step_Motor_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(LA_GPIO_CLK | LB_GPIO_CLK | LC_GPIO_CLK | LD_GPIO_CLK, ENABLE);


    /* A相端口初始化 */
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LA_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LB_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LB_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LC_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LC_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LD_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LD_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);


    GPIO_ResetBits(LA_GPIO_PORT, LA_GPIO_PIN);
    GPIO_ResetBits(LB_GPIO_PORT, LB_GPIO_PIN);
    GPIO_ResetBits(LC_GPIO_PORT, LC_GPIO_PIN);
    GPIO_ResetBits(LD_GPIO_PORT, LD_GPIO_PIN);
}


在step_motor.c中宏定义或者枚举类型定义每个IO口或者是电机各个相的软件接通位。
比如：


A相位定义为bit0，当A相导通的时候状态对应0x01；
B相位定义为bit1，当B相导通时位0x02；以此类推定义C相和D相；
/* 私有类型定义------------------------------------------------- */
typedef enum _PIN_BIT
{
    PLA = 0x01,
    PLB = 0x02,
    PLC = 0x04,
    PLD = 0x08,
} Pin_Bit;


根据以上定义，很容易算1-2相励磁的时候各个步骤中的每相的状态，将状态组织成为数据，方便后续进行遍历，如下：
只要在以上定义的数字之间，穿插加上一个数字，值为两边的数字求和；


/* 私有变量定义------------------------------------- */
static uint8_t steps[8] = {0x01, 0x03, 0x02, 0x6, 0x04, 0x0c, 0x08, 0x09};


定义电机正转函数：
/**
* @name: Step_Motor_CW
* @description: 电机正转函数
* @param {uint32_t} nms
* @return {*}
*/
void Step_Motor_CW(uint32_t nus)
{
    volatile uint8_t i;
    uint8_t temp = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        temp = steps;
        LA = (uint8_t)((temp&PLA) >> 0);
        LB = (uint8_t)((temp&PLB) >> 1);
        LC = (uint8_t)((temp&PLC) >> 2);
        LD = (uint8_t)((temp&PLD) >> 3);
        
        delay_us(nus);
    }
    Step_Motor_Stop();
}


定义电机反转函数：
/**
* @name: Step_Motor_CCW
* @description: 电机反转函数
* @param {uint32_t} nms
* @return {*}
*/
void Step_Motor_CCW(uint32_t nus)
{
    int i;
    for(i = 8; i > 0; i--)
    {
        LA = (uint8_t)((steps[i-1]&PLA) >> 0);
        LB = (uint8_t)((steps[i-1]&PLB) >> 1);
        LC = (uint8_t)((steps[i-1]&PLC) >> 2);
        LD = (uint8_t)((steps[i-1]&PLD) >> 3);
        
        delay_us(nus);
    }
    Step_Motor_Stop();
}


定义一个电机停转函数，为了让电机停止的时候每一相都断电，不然长期通电会使电机线圈发热严重：
/**
* @name: Step_Motor_Stop
* @description: 电机停止
* @param {*}
* @return {*}
*/
void Step_Motor_Stop(void)
{
    LA = 0;
    LB = 0;
    LC = 0;
    LD = 0;
}


最后，在main.c中进行测试：


int main(void)
{
        initSysTick();
        LED1_Init();
        Step_Motor_Init();


        for(;;)
        {
                Step_Motor_CW(1000);
        }
}


以上是STM32驱动ULN2003的简单过程，在使用此种方法的同时会带来严重问题：


28BYJ-48非常慢，转动一圈需要4096步，如果每步之间需要1ms，一圈需要4.096s；
在电机旋转函数中调用了delay_ms进行每步之间的保持时间，消耗cpu运行效率，阻塞其他任务执行；
如果28BYJ-48转动10圈，那么相当于cpu在41s一直在执行电机相位切换和delay_ms函数，阻塞整个程序，不利于整个系统的稳定性；
所以，如果想要系统及时稳定的处理其他问题，以上这样驱动ULN2003是不可取的，怎样才能在不影响系统及时稳定的前提下，驱动ULN2003呢？

步进电机

步进电动机又称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。
传送门：一文搞懂步进电机特性、原理及驱动器设计
28BYJ-48步进电机






28BYJ-48永磁式减速单极性步进电机

• 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
  传送门：28BYJ-48单极性步进电机
  
  

28BYJ-48步进电机的励磁方式

• 1相励磁
     
  

      励磁控制：一瞬间步进电机只有一个线圈导通，没送一个励磁信号，步
  进电机转动一个角度。
  特点：精确度好，消耗电力小，但输出转矩最小，振动较大。
     

  
  
• 2相励磁
     
  

      励磁控制：一瞬间步进电机有两个线圈导通。
  特点：输出转矩最大，振动较小。
     

  
  
• 1-2相励磁
     
  

      励磁控制：1相励磁和2相励磁交替导通。
  特点：分辨率高，运转平滑，应用广。
     

  
  
  

28BYJ-48采用以上方式都可行，相较1相励磁和2相励磁来说，1-2相励磁方式应用更广。1-2相励磁驱动28BYJ-48获得更小的步进角度，运转更平滑，但同时28BYJ-48的转矩会随着1-2相励磁交替改变。
ULN2003






ULN2003驱动板
ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。





ULN2003驱动原理



ULN2003驱动28BYJ-48接线
在实际使用中，只需要使用单片机的IO接ULN2003驱动板的IN1-IN4即可，当然，单片机和模块需要共地。

代码实现
（使用STM32F103C8最小系统板）


创建step_motor.c和step_motor.h文件，并在step_motor.h中进行宏定义4个IO口，如下：
/* 宏定义 ------------------------------------------ */
/* 步进电机1参数宏 */
#define LA PAout(1)     /* A相 */
#define LB PAout(2)     /* B相 */
#define LC PAout(3)     /* C相 */
#define LD PAout(4)     /* D相 */


/* A相 */
#define LA_GPIO_PORT    GPIOA
#define LA_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
#define LA_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
/* B相 */
#define LB_GPIO_PORT    GPIOA
#define LB_GPIO_PIN     GPIO_Pin_2
#define LB_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
/* C相 */
#define LC_GPIO_PORT    GPIOA
#define LC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_3
#define LC_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
/* D相 */
#define LD_GPIO_PORT    GPIOA
#define LD_GPIO_PIN     GPIO_Pin_4
#define LD_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA


在step_motor.c中初始化端口，代码如下：
/**
* @name: Step_Motor_Init
* @description: 步进电机初始化端口
* @param {*}
* @return {*}
*/
void Step_Motor_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(LA_GPIO_CLK | LB_GPIO_CLK | LC_GPIO_CLK | LD_GPIO_CLK, ENABLE);


    /* A相端口初始化 */
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LA_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LB_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LB_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LC_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LC_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LD_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(LD_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);


    GPIO_ResetBits(LA_GPIO_PORT, LA_GPIO_PIN);
    GPIO_ResetBits(LB_GPIO_PORT, LB_GPIO_PIN);
    GPIO_ResetBits(LC_GPIO_PORT, LC_GPIO_PIN);
    GPIO_ResetBits(LD_GPIO_PORT, LD_GPIO_PIN);
}


在step_motor.c中宏定义或者枚举类型定义每个IO口或者是电机各个相的软件接通位。
比如：


A相位定义为bit0，当A相导通的时候状态对应0x01；
B相位定义为bit1，当B相导通时位0x02；以此类推定义C相和D相；
/* 私有类型定义------------------------------------------------- */
typedef enum _PIN_BIT
{
    PLA = 0x01,
    PLB = 0x02,
    PLC = 0x04,
    PLD = 0x08,
} Pin_Bit;


根据以上定义，很容易算1-2相励磁的时候各个步骤中的每相的状态，将状态组织成为数据，方便后续进行遍历，如下：
只要在以上定义的数字之间，穿插加上一个数字，值为两边的数字求和；


/* 私有变量定义------------------------------------- */
static uint8_t steps[8] = {0x01, 0x03, 0x02, 0x6, 0x04, 0x0c, 0x08, 0x09};


定义电机正转函数：
/**
* @name: Step_Motor_CW
* @description: 电机正转函数
* @param {uint32_t} nms
* @return {*}
*/
void Step_Motor_CW(uint32_t nus)
{
    volatile uint8_t i;
    uint8_t temp = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        temp = steps;
        LA = (uint8_t)((temp&PLA) >> 0);
        LB = (uint8_t)((temp&PLB) >> 1);
        LC = (uint8_t)((temp&PLC) >> 2);
        LD = (uint8_t)((temp&PLD) >> 3);
        
        delay_us(nus);
    }
    Step_Motor_Stop();
}


定义电机反转函数：
/**
* @name: Step_Motor_CCW
* @description: 电机反转函数
* @param {uint32_t} nms
* @return {*}
*/
void Step_Motor_CCW(uint32_t nus)
{
    int i;
    for(i = 8; i > 0; i--)
    {
        LA = (uint8_t)((steps[i-1]&PLA) >> 0);
        LB = (uint8_t)((steps[i-1]&PLB) >> 1);
        LC = (uint8_t)((steps[i-1]&PLC) >> 2);
        LD = (uint8_t)((steps[i-1]&PLD) >> 3);
        
        delay_us(nus);
    }
    Step_Motor_Stop();
}


定义一个电机停转函数，为了让电机停止的时候每一相都断电，不然长期通电会使电机线圈发热严重：
/**
* @name: Step_Motor_Stop
* @description: 电机停止
* @param {*}
* @return {*}
*/
void Step_Motor_Stop(void)
{
    LA = 0;
    LB = 0;
    LC = 0;
    LD = 0;
}


最后，在main.c中进行测试：


int main(void)
{
        initSysTick();
        LED1_Init();
        Step_Motor_Init();


        for(;;)
        {
                Step_Motor_CW(1000);
        }
}


以上是STM32驱动ULN2003的简单过程，在使用此种方法的同时会带来严重问题：


28BYJ-48非常慢，转动一圈需要4096步，如果每步之间需要1ms，一圈需要4.096s；
在电机旋转函数中调用了delay_ms进行每步之间的保持时间，消耗cpu运行效率，阻塞其他任务执行；
如果28BYJ-48转动10圈，那么相当于cpu在41s一直在执行电机相位切换和delay_ms函数，阻塞整个程序，不利于整个系统的稳定性；
所以，如果想要系统及时稳定的处理其他问题，以上这样驱动ULN2003是不可取的，怎样才能在不影响系统及时稳定的前提下，驱动ULN2003呢？

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