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本文介紹了 樹莓派 RP2350 開發(fā)板實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的項目設(shè)計，主要包括旋轉(zhuǎn)角度的精確控制、串口發(fā)送實現(xiàn)自定義角度旋轉(zhuǎn)、OLED 顯示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)三部分。
擴(kuò)展板PCB工程詳見：Beetle-RP2350擴(kuò)展板 - 立創(chuàng)開源硬件平臺oshwhubcom/lijinlei0907/beetle-rp2350-expansion-board
項目介紹
包括步進(jìn)電機(jī)原理、該項目使用的 28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)，及其驅(qū)動器——ULN2003 驅(qū)動模塊介紹。
步進(jìn)電機(jī)原理
步進(jìn)電機(jī)（Stepper Motor）是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為精確角度位移的執(zhí)行器件，屬于開環(huán)控制電機(jī)。
核心特點：每接收一個脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），無需反饋傳感器即可實現(xiàn)位置控制。
結(jié)構(gòu)組成
定子：繞有線圈的磁極，分為多相（常見2相、4相、5相）。 轉(zhuǎn)子：永磁體（永磁式）或齒狀鐵芯（反應(yīng)式/混合式）。 定子繞組按特定順序通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，吸引轉(zhuǎn)子逐步轉(zhuǎn)動。
工作過程
28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)
28BYJ-48 是一款常見的低成本、小扭矩 5 線單極步進(jìn)電機(jī)，可使用 ULN2003 控制器和單片機(jī)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制，廣泛用于打印機(jī)、掃描儀、攝像機(jī)云臺、空調(diào)、家電、玩具、消費電子等領(lǐng)域。
| 參數(shù) | 值/描述 | 電機(jī)類型 | 單極 4 相永磁式步進(jìn)電機(jī)（5線制） | 步距角 | 5.625°（64 步/圈），配合減速齒輪后 0.0879°（實際輸出軸 4096 步/圈） | 減速比 | 1:64（內(nèi)部齒輪組減速） | 額定電壓 | 5V 或 12V DC | 相電流 | 約 100mA（每相） | 保持扭矩 | 約 0.1 N·m（輸出軸，受減速齒輪影響） | 繞組電阻 | 約 50Ω/相 |
實際輸出軸步距角為 5.625°/64 ≈ 0.0879°，轉(zhuǎn)一圈理論上需要 64×64=4096 步，實際可能存在誤差。
ULN2003 驅(qū)動器
ULN2003 是一款常用的達(dá)林頓晶體管陣列芯片，專為驅(qū)動高電流負(fù)載（如繼電器、步進(jìn)電機(jī)、LED陣列等）設(shè)計。其作用是將 MCU 輸出的弱電流信號轉(zhuǎn)換為大電流輸出，是控制 28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)的核心驅(qū)動芯片。
原理圖
使用時需要將 28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)的5線快接插頭與 ULN2003 模塊對應(yīng)接口連接，并將模塊的 4 個控制引腳（信號輸入端，絲印 IN1、IN2、IN3、IN4）與單片機(jī)對應(yīng)引腳相連，實現(xiàn)控制信號輸入。
詳見：
uln2003a.pdf
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2025-5-3 15:49 上傳
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項目方案
具體執(zhí)行方案和工程測試流程如下
旋轉(zhuǎn)指定角度
本節(jié)介紹并實現(xiàn)了指定角度的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制。
硬件連接
- GP0 ---- IN1 (ULN2003)
- GP1 ---- IN2 (ULN2003)
- GP18 ---- IN3 (ULN2003)
- GP19 ---- IN4 (ULN2003)
代碼
- '''
- Name: Stepper Motor driven by ULN2003
- Version: v1.0
- Date: 2025.05
- Author: ljl
- Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle.
- Hardware connect:
- 0 ---- IN1 (ULN2003)
- 1 ---- IN2 (ULN2003)
- 18 ---- IN3 (ULN2003)
- 19 ---- IN4 (ULN2003)
- '''
-
- from machine import Pin
- import utime
-
- # 電機(jī)控制引腳
- coils = [
- Pin(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)
- Pin(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)
- Pin(18, Pin.OUT), # C相 (IN3)
- Pin(19, Pin.OUT) # D相 (IN4)
- ]
-
- # 四相八拍步進(jìn)電機(jī)的順序值
- STEP_SEQ = [
- [1, 0, 0, 1], # AB'
- [1, 0, 0, 0], # A
- [1, 1, 0, 0], # AB
- [0, 1, 0, 0], # B
- [0, 1, 1, 0], # BC
- [0, 0, 1, 0], # C
- [0, 0, 1, 1], # CD
- [0, 0, 0, 1] # D
- ]
-
- '''
- 驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定步數(shù)
- :param steps: 正數(shù)=順時針，負(fù)數(shù)=逆時針
- :param delay_ms: 步間延時(ms)，控制轉(zhuǎn)速
- '''
- def step_motor(steps, delay_ms=1):
- direction = 1 if steps >=0 else -1
- for _ in range(abs(steps)):
- for phase in range(8)[::direction]: # 方向控制
- for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
- coil.value(state)
- utime.sleep_ms(delay_ms)
-
- # 旋轉(zhuǎn)角度控制
- def rotate_angle(angle):
- steps_per_rev = 509
- steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
- step_motor(steps)
-
- # 釋放電機(jī)扭矩
- def release():
- for coil in coils:
- coil.value(0)
-
- while True:
- #rotate_angle(1) # 以單步方式持續(xù)轉(zhuǎn)動
- rotate_angle(180) # 逆時針
- release()
- utime.sleep_ms(2000)
- rotate_angle(-90) # 順時針
- release()
- utime.sleep_ms(2000)
效果
由供電處的電壓-電流計量工具可知，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作時的功率約為 1W
串口自定義角度
在實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)串口發(fā)送自定義角度并旋轉(zhuǎn)的功能設(shè)計方案。
硬件連接- GP0 ---- IN1 (ULN2003)
- GP1 ---- IN2 (ULN2003)
- GP4 ---- IN3 (ULN2003)
- GP5 ---- IN4 (ULN2003)
- GP8 ---- RXD (CH340)
- GP9 ---- TXD (CH340)
代碼
- '''
- Name: Stepper Motor rotate custom angle from serial
- Version: v1.0
- Date: 2025.05
- Author: ljl
- Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle from UART.
- Hardware connect:
- 0 ---- IN1 (ULN2003)
- 1 ---- IN2 (ULN2003)
- 4 ---- IN3 (ULN2003)
- 5 ---- IN4 (ULN2003)
- 8 ---- RXD (CH340)
- 9 ---- TXD (CH340)
- '''
-
- from machine import Pin, UART
- import utime
- import ujson
-
- # 電機(jī)控制引腳
- coils = [
- Pin(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)
- Pin(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)
- Pin(4, Pin.OUT), # C相 (IN3)
- Pin(5, Pin.OUT) # D相 (IN4)
- ]
-
- # 四相八拍步進(jìn)電機(jī)的相序
- STEP_SEQ = [
- [1, 0, 0, 1], # AB'
- [1, 0, 0, 0], # A
- [1, 1, 0, 0], # AB
- [0, 1, 0, 0], # B
- [0, 1, 1, 0], # BC
- [0, 0, 1, 0], # C
- [0, 0, 1, 1], # CD
- [0, 0, 0, 1] # D
- ]
-
- # 驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定步數(shù)；delay_ms 步間延時(ms)，控制轉(zhuǎn)速
- def step_motor(steps, delay_ms=1):
- direction = 1 if steps >=0 else -1
- for _ in range(abs(steps)):
- for phase in range(8)[::direction]: # 方向控制
- for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
- coil.value(state)
- utime.sleep_ms(delay_ms)
-
- # 角度控制
- def rotate_angle(angle):
- steps_per_rev = 509
- steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
- step_motor(steps)
-
- # 釋放電機(jī)扭矩
- def release():
- for coil in coils:
- coil.value(0)
-
- # 串口控制旋轉(zhuǎn)角度
- def uart_control():
- uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))
- while True:
- if uart.any():
- cmd = uart.read()
- try:
- data = ujson.loads(cmd)
- rotate_angle(int(data['angle']))
- release()
- except:
- uart.write('Invalid command\r\n')
- release()
- else:
- release()
- utime.sleep_ms(100)
-
- # main loop
- while True:
- uart_control()
這里為了節(jié)能并提高效率，僅在串口發(fā)送正確指令時旋轉(zhuǎn)，其他情況均釋放步進(jìn)電機(jī)扭矩，此時電流約為 0 .
效果
由于調(diào)用了 ujson 庫，因此串口發(fā)送指令需符合 json 格式，如 {"angle":40} .
若串口發(fā)送 json 消息的格式錯誤，則反饋指令無效的提示。
OLED 顯示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)
在前面實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、串口自定義角度控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)串口發(fā)送角度、旋轉(zhuǎn)、OLED 狀態(tài)顯示的功能設(shè)計方案。
硬件連接
- GP0 ---- IN1 (ULN2003)
- GP1 ---- IN2 (ULN2003)
- GP18 ---- IN3 (ULN2003)
- GP19 ---- IN4 (ULN2003)
- GP8 ---- RXD (CH340)
- GP9 ---- TXD (CH340)
- GP4 ---- SDA (OLED_SSD1306)
- GP5 ---- SCL (OLED_SSD1306)
流程圖
代碼
- '''
- Name: Stepper Motor rotate custom angle from serial and OLED display
- Version: v1.0
- Date: 2025.05
- Author: ljl
- Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle from UART, and OLED display the motor state in moving or steady.
- Hardware connect:
- 0 ---- IN1 (ULN2003)
- 1 ---- IN2 (ULN2003)
- 18 ---- IN3 (ULN2003)
- 19 ---- IN4 (ULN2003)
- 8 ---- RXD (CH340)
- 9 ---- TXD (CH340)
- 4 ---- SDA (OLED_SSD1306)
- 5 ---- SCL (OLED_SSD1306)
- Serial send style: {"angle": 40}
- '''
-
- from machine import Pin, UART, SoftI2C
- import ssd1306 # OLED
- import ujson # read uart string
- import utime
-
- # ==== Initialized IIC OLED ====
- i2c = SoftI2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4))
- oled_width = 128
- oled_height = 64
- oled = ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)
-
- # display the motor state
- def display_motor(angle,state):
- oled.fill(0) # 清屏
- oled.text("Rotate Angle: ", 0, 0)
- oled.text("{:.1f} deg".format(angle), 20, 15)
- oled.text("State: ", 0, 35)
- if state == 1:
- oled.text("Rotating ...", 20, 50)
- elif state == 0:
- oled.text("Reset", 20, 50)
- else:
- oled.text("Error", 20, 50)
- oled.show()
-
- # 電機(jī)控制引腳
- coils = [
- Pin(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)
- Pin(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)
- Pin(18, Pin.OUT), # C相 (IN3)
- Pin(19, Pin.OUT) # D相 (IN4)
- ]
-
- # 四相八拍步進(jìn)電機(jī)的相序
- STEP_SEQ = [
- [1, 0, 0, 1], # AB'
- [1, 0, 0, 0], # A
- [1, 1, 0, 0], # AB
- [0, 1, 0, 0], # B
- [0, 1, 1, 0], # BC
- [0, 0, 1, 0], # C
- [0, 0, 1, 1], # CD
- [0, 0, 0, 1] # D
- ]
-
- # 驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定步數(shù)；delay_ms 步間延時(ms)，控制轉(zhuǎn)速
- def step_motor(steps, delay_ms=1):
- direction = 1 if steps >=0 else -1
- for _ in range(abs(steps)):
- for phase in range(8)[::direction]: # 方向控制
- for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
- coil.value(state)
- utime.sleep_ms(delay_ms)
-
- # 角度控制
- def rotate_angle(angle):
- steps_per_rev = 509 # 64步/拍 × 8拍 × 8相位
- steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
- step_motor(steps)
-
- # 釋放電機(jī)扭矩
- def release():
- for coil in coils:
- coil.value(0)
-
- # 串口控制旋轉(zhuǎn)角度
- def uart_control():
- uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))
- while True:
- if uart.any():
- cmd = uart.read()
- try:
- data = ujson.loads(cmd)
- ra = float(data['angle']) # rotate angle
- display_motor(ra,1)
- rotate_angle(ra)
- release()
- display_motor(ra,0)
- except:
- uart.write('Invalid command\r\n')
- release()
- else:
- release()
- #display_motor(0,0)
- utime.sleep_ms(100)
-
- # main loop
- display_motor(0,0) # initialize OLED display
- while True:
- uart_control()
效果
總結(jié)
本文介紹了樹莓派 RP2350 開發(fā)板實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的項目設(shè)計，包括旋轉(zhuǎn)角度的精確控制、串口發(fā)送實現(xiàn)自定義角度旋轉(zhuǎn)、OLED 顯示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)等，為 RP2350 的開發(fā)、設(shè)計和應(yīng)用提供了參考。
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