如何使用ULN2003芯片驱动步进电机？

概述

随着嵌入式系统的发展，步进电机的使用开始激增，只要涉及到把物体从一个地方移动到另外一个地方，都少不了步进电机的身影。本教程以stm32为例，使用ULN2003，TB6600电机驱动板，A4988，DRV8825，介绍步进电机的常用驱动方式。
从ULN2003开始

首先从最简单的入手，用ULN2003芯片，来驱动这种淘宝单片机套件中经常见到（但其实并没有什么用处）的5V四相五线步进电机。
长这个样子

用了配套的驱动板，但其实可以直接把ULN2003芯片插面包板上使用

（不知道我这么打广告这家淘宝店给不给钱）
上面提到了四相五线，仔细看有一条红线，即为5V电源线，还有黄、橙、粉、蓝四线，即名字里的四相，每条线都连接了电机内部的一个线圈，转子可以看做是一个磁铁，给四个线圈依次通电，线圈通电产生磁性，使转子旋转。这里有几种信号的输入方法，参考了一个很不错的制作网站中的一个帖子，链接附在这里：howtomechatronics





如上图所示，当给其中一个线圈通电时，对应线圈变为红色，产生磁性，那么怎么才能给线圈通电呢？之前我们提到了五线中还有一条5V的电源线，那么当把某一线圈接地时，电流便会流过线圈，这样，ULN2003的作用就很明显了
——将对应引脚接地。
如下图所示，ULN2003的工作方式是这样的，正视芯片（缺口端朝上），左边最下面的引脚接地，当左边的引脚输入高电平时，右边与它平行的引脚接地，所以我们只要用stm32控制对应的引脚依次为高电平就可以让它转动起来了。





接线如下图所示，用了野火的f103ZET6的核心板，PA5，PA6，PA7，PA8依次接IN1,IN2,IN3,IN4。用两节AA电池供电，在这里要注意，不能用板子直接供电，因为电机在启动瞬间会产生很大的感应电流而烧坏板子。为了使电平统一，还应该把板子的GND与电源负极连接。
（这里有一点小问题，就是Fritzing中没有我们用到的步进电机类型，所以在用了四线的代替）





实物图：





一、开始———波驱动或者单个线圈激发(Wave Drive or Single-Coil Excitation)






从上图我们可以看到，这个驱动方式是依次给线圈通电，然后在通电线圈断电的同时给下一个线圈通电，按照这个顺序循环往复。
下面是程序：

首先我们在user创建bsp_gpio.h与bsp_gpio.c，来初始化GPIO口，如接线所示，PA4-PA7依次接IN1-IN4


//IN1-PA4
#define IN1_GPIO_PORT     GPIOA
#define IN1_GPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN1_GPIO_PIN      GPIO_Pin_4


//IN2-PA5
#define IN2_GPIO_PORT     GPIOA
#define IN2_GPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN2_GPIO_PIN      GPIO_Pin_5


//IN3-PA6
#define IN3_GPIO_PORT     GPIOA
#define IN3_GPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN3_GPIO_PIN      GPIO_Pin_6


//IN1-PA7
#define IN4_GPIO_PORT     GPIOA
#define IN4_GPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA
#define IN4_GPIO_PIN      GPIO_Pin_7


之后我们使用直接操作BSRR与BRR寄存器的方式来控制IO


/* 直接操作寄存器的方法控制IO */
#define        digitalHi(p,i)                 {p->BSRR=i;}         //输出为高电平               
#define digitalLo(p,i)                 {p->BRR=i;}         //输出低电平


/* 定义控制IO的宏 */
#define IN1_HIGH        digitalHi(IN1_GPIO_PORT,IN1_GPIO_PIN)
#define IN1_LOW         digitalLo(IN1_GPIO_PORT,IN1_GPIO_PIN)


#define IN2_HIGH        digitalHi(IN2_GPIO_PORT,IN2_GPIO_PIN)
#define IN2_LOW         digitalLo(IN2_GPIO_PORT,IN2_GPIO_PIN)


#define IN3_HIGH        digitalHi(IN3_GPIO_PORT,IN3_GPIO_PIN)
#define IN3_LOW         digitalLo(IN3_GPIO_PORT,IN3_GPIO_PIN)


#define IN4_HIGH        digitalHi(IN4_GPIO_PORT,IN4_GPIO_PIN)
#define IN4_LOW         digitalLo(IN4_GPIO_PORT,IN4_GPIO_PIN)


使用宏定义对IO口封装，使Main函数更加直观，编写更加简单
之后在bsp_gpio.c中我们定义函数void GPIO_Config(void)来初始化IO口，全部设置为通用推挽输出，速度为50MHz。


void GPIO_Config(void)
{               
                /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
                GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;


                /*开启引脚相关的GPIO外设时钟*/
                RCC_APB2PeriphClockCmd( IN1_GPIO_CLK | IN2_GPIO_CLK | IN3_GPIO_CLK | IN4_GPIO_CLK , ENABLE);
               
         /*选择要控制的GPIO引脚*/
                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN1_GPIO_PIN;       
                /*设置引脚模式为通用推挽输出*/
                GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   
                /*设置引脚速率为50MHz */   
                GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
                /*调用库函数，初始化GPIO*/
                GPIO_Init(IN1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);       
               
                /*选择要控制的GPIO引脚*/
                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN2_GPIO_PIN;
                /*调用库函数，初始化GPIO*/
                GPIO_Init(IN2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
               
                /*选择要控制的GPIO引脚*/
                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN3_GPIO_PIN;
                /*调用库函数，初始化GPIOF*/
                GPIO_Init(IN3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
               
                /*选择要控制的GPIO引脚*/
                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN4_GPIO_PIN;
                /*调用库函数，初始化GPIOF*/
                GPIO_Init(IN4_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
               
                //所有引脚初始化为低电平
    IN1_LOW;
    IN2_LOW;
    IN3_LOW;
    IN4_LOW;               
}






成功了！电机转动起来，并且能够改变方向
二、其它驱动方法

在上面我们成功驱动电机使其转动起来，但是这样的方式效率很低，原文作者还提到了更好的几种驱动方法





（上图）这种方法延长了线圈的通电时间，使得同时会有两个线圈通电，但是用这种方法一转仍然是四步。





（上图）于是有了半步驱动这种方式，这其实是上面两种方式的结合，用这种方式控制，一转变成了八步。





（上图）现在用的最多的是这种微步控制方式，可以看到结果调制的正弦波被输入到电机中，用这种方式，转子的转动更加平滑，同时电机各部分受到的力也随之减小，这样电机工作过程中的振动与丢步大大减小。这就是所谓的输入pwm波控制步进电机。
但是问题在于，pwm波的调制不像输出高低电平那么简单，而且一般用到的步进电机驱动电流超过了板子的提供范围，所以在实际应用中，更多的是使用驱动板或者驱动芯片，这将在之后的文章中讲到。