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樹莓派RP2350實現(xiàn)步進電機精確控制

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ID:1110079 發(fā)表于 2025-5-3 14:51 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本文介紹了 樹莓派 RP2350 開發(fā)板實現(xiàn)步進電機驅動的項目設計，主要包括旋轉角度的精確控制、串口發(fā)送實現(xiàn)自定義角度旋轉、OLED 顯示旋轉狀態(tài)三部分。

擴展板PCB工程詳見：Beetle-RP2350擴展板 - 立創(chuàng)開源硬件平臺oshwhubcom/lijinlei0907/beetle-rp2350-expansion-board

項目介紹

包括步進電機原理、該項目使用的 28BYJ-48 步進電機，及其驅動器——ULN2003 驅動模塊介紹。

步進電機原理

步進電機（Stepper Motor）是一種將電脈沖信號轉換為精確角度位移的執(zhí)行器件，屬于開環(huán)控制電機。

核心特點：每接收一個脈沖，轉子就轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），無需反饋傳感器即可實現(xiàn)位置控制。

step-motors.jpg

  • 結構組成

    • 定子：繞有線圈的磁極，分為多相（常見2相、4相、5相）。
    • 轉子：永磁體（永磁式）或齒狀鐵芯（反應式/混合式）。
    • 定子繞組按特定順序通電，產(chǎn)生旋轉磁場，吸引轉子逐步轉動。

  • 工作過程

    • 通過控制器（如單片機）發(fā)送脈沖信號，驅動電路按順序切換定子繞組的電流方向。
    • 每切換一次，轉子轉動一個步距角，連續(xù)脈沖使電機連續(xù)旋轉。


28BYJ-48 步進電機

28BYJ-48 是一款常見的低成本、小扭矩 5 線單極步進電機，可使用 ULN2003 控制器和單片機實現(xiàn)旋轉控制，廣泛用于打印機、掃描儀、攝像機云臺、空調、家電、玩具、消費電子等領域。

28BYJ-48-group.jpg


參數(shù)
值/描述
電機類型
單極 4 相永磁式步進電機（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°，轉一圈理論上需要 64×64=4096 步，實際可能存在誤差。

詳見： 28BYJ-48 數(shù)據(jù)手冊.pdf (193.2 KB, 下載次數(shù): 0)

ULN2003 驅動器

ULN2003 是一款常用的達林頓晶體管陣列芯片，專為驅動高電流負載（如繼電器、步進電機、LED陣列等）設計。其作用是將 MCU 輸出的弱電流信號轉換為大電流輸出，是控制 28BYJ-48 步進電機的核心驅動芯片。

ULN2003_module_large.jpg

原理圖
SCH_ULN2003_module.jpg


使用時需要將 28BYJ-48 步進電機的5線快接插頭與 ULN2003 模塊對應接口連接，并將模塊的 4 個控制引腳（信號輸入端，絲印 IN1、IN2、IN3、IN4）與單片機對應引腳相連，實現(xiàn)控制信號輸入。

詳見： uln2003a.pdf (2.04 MB, 下載次數(shù): 0)

項目方案

具體執(zhí)行方案和工程測試流程如下

  • 步進電機原理
  • 旋轉角度的精確控制
  • 串口發(fā)送實現(xiàn)自定義角度旋轉
  • OLED 顯示旋轉狀態(tài)

旋轉指定角度

本節(jié)介紹并實現(xiàn)了指定角度的步進電機旋轉控制。

硬件連接
  • GP0 ---- IN1 (ULN2003)
  • GP1 ---- IN2 (ULN2003)
  • GP18 ---- IN3 (ULN2003)
  • GP19 ---- IN4 (ULN2003)

step-moter-board-connect.jpg




代碼


  1. '''
  2. Name: Stepper Motor driven by ULN2003
  3. Version: v1.0
  4. Date: 2025.05
  5. Author: ljl
  6. Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle.
  7. Hardware connect:
  8. 0 ---- IN1 (ULN2003)
  9. 1 ---- IN2 (ULN2003)
  10. 18 ---- IN3 (ULN2003)
  11. 19 ---- IN4 (ULN2003)
  12. '''
  13. ​
  14. from machine import Pin
  15. import utime
  16. ​
  17. # 電機控制引腳
  18. coils = [
  19.     Pin(0, Pin.OUT),  # A相 (IN1)
  20.     Pin(1, Pin.OUT),  # B相 (IN2)
  21.     Pin(18, Pin.OUT),  # C相 (IN3)
  22.     Pin(19, Pin.OUT)   # D相 (IN4)
  23. ]
  24. ​
  25. # 四相八拍步進電機的順序值
  26. STEP_SEQ = [
  27.     [1, 0, 0, 1],  # AB'
  28.     [1, 0, 0, 0],  # A
  29.     [1, 1, 0, 0],  # AB
  30.     [0, 1, 0, 0],  # B
  31.     [0, 1, 1, 0],  # BC
  32.     [0, 0, 1, 0],  # C
  33.     [0, 0, 1, 1],  # CD
  34.     [0, 0, 0, 1]   # D
  35. ]
  36. ​
  37. '''
  38. 驅動電機旋轉指定步數(shù)
  39. :param steps: 正數(shù)=順時針，負數(shù)=逆時針
  40. :param delay_ms: 步間延時(ms)，控制轉速
  41. '''
  42. def step_motor(steps, delay_ms=1):
  43.     direction = 1 if steps >=0 else -1
  44.     for _ in range(abs(steps)):
  45.         for phase in range(8)[::direction]:  # 方向控制
  46.             for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
  47.                 coil.value(state)
  48.             utime.sleep_ms(delay_ms)
  49. ​
  50. # 旋轉角度控制
  51. def rotate_angle(angle):
  52.     steps_per_rev = 509
  53.     steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
  54.     step_motor(steps)
  55. ​
  56. # 釋放電機扭矩
  57. def release():
  58.     for coil in coils:
  59.         coil.value(0)
  60. ​
  61. while True:
  62.     #rotate_angle(1) # 以單步方式持續(xù)轉動
  63.     rotate_angle(180) # 逆時針
  64.     release()
  65.     utime.sleep_ms(2000)
  66.     rotate_angle(-90) # 順時針
  67.     release()
  68.     utime.sleep_ms(2000)
復制代碼




效果

step-motor-power-moving.gif

由供電處的電壓-電流計量工具可知，步進電機旋轉工作時的功率約為 1W



串口自定義角度

在實現(xiàn)步進電機旋轉驅動的基礎上，進一步實現(xiàn)串口發(fā)送自定義角度并旋轉的功能設計方案。

硬件連接
  • GP0 ---- IN1 (ULN2003)
  • GP1 ---- IN2 (ULN2003)
  • GP4 ---- IN3 (ULN2003)
  • GP5 ---- IN4 (ULN2003)
  • GP8 ---- RXD (CH340)
  • GP9 ---- TXD (CH340)


USB2TTL-step-motor-uln2003-connect.jpg


​

代碼


  1. '''
  2. Name: Stepper Motor rotate custom angle from serial
  3. Version: v1.0
  4. Date: 2025.05
  5. Author: ljl
  6. Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle from UART.
  7. Hardware connect:
  8. 0 ---- IN1 (ULN2003)
  9. 1 ---- IN2 (ULN2003)
  10. 4 ---- IN3 (ULN2003)
  11. 5 ---- IN4 (ULN2003)
  12. 8 ---- RXD (CH340)
  13. 9 ---- TXD (CH340)
  14. '''
  15. ​
  16. from machine import Pin, UART
  17. import utime
  18. import ujson
  19. ​
  20. # 電機控制引腳
  21. coils = [
  22.     Pin(0, Pin.OUT),  # A相 (IN1)
  23.     Pin(1, Pin.OUT),  # B相 (IN2)
  24.     Pin(4, Pin.OUT),  # C相 (IN3)
  25.     Pin(5, Pin.OUT)   # D相 (IN4)
  26. ]
  27. ​
  28. # 四相八拍步進電機的相序
  29. STEP_SEQ = [
  30.     [1, 0, 0, 1],  # AB'
  31.     [1, 0, 0, 0],  # A
  32.     [1, 1, 0, 0],  # AB
  33.     [0, 1, 0, 0],  # B
  34.     [0, 1, 1, 0],  # BC
  35.     [0, 0, 1, 0],  # C
  36.     [0, 0, 1, 1],  # CD
  37.     [0, 0, 0, 1]   # D
  38. ]
  39. ​
  40. # 驅動電機旋轉指定步數(shù)；delay_ms 步間延時(ms)，控制轉速
  41. def step_motor(steps, delay_ms=1):
  42.     direction = 1 if steps >=0 else -1
  43.     for _ in range(abs(steps)):
  44.         for phase in range(8)[::direction]:  # 方向控制
  45.             for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
  46.                 coil.value(state)
  47.             utime.sleep_ms(delay_ms)
  48. ​
  49. # 角度控制
  50. def rotate_angle(angle):
  51.     steps_per_rev = 509
  52.     steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
  53.     step_motor(steps)
  54. ​
  55. # 釋放電機扭矩
  56. def release():
  57.     for coil in coils:
  58.         coil.value(0)
  59. ​
  60. # 串口控制旋轉角度
  61. def uart_control():
  62.     uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))
  63.     while True:
  64.         if uart.any():
  65.             cmd = uart.read()
  66.             try:
  67.                 data = ujson.loads(cmd)
  68.                 rotate_angle(int(data['angle']))
  69.                 release()
  70.             except:
  71.                 uart.write('Invalid command\r\n')
  72.                 release()
  73.         else:
  74.             release()
  75.         utime.sleep_ms(100)
  76. ​
  77. # main loop
  78. while True:
  79.     uart_control()
復制代碼


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，其他情況均釋放步進電機扭矩，此時電流約為 0 .


效果
step-motor_uart_control.gif

由于調用了 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 顯示旋轉狀態(tài)

在前面實現(xiàn)步進電機旋轉驅動、串口自定義角度控制的基礎上，進一步實現(xiàn)串口發(fā)送角度、旋轉、OLED 狀態(tài)顯示的功能設計方案。

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)

oled-step-motor-usb2ttl-uln2003-board-connect.jpg


流程圖

flowchart_uart_oled_rotate.jpg


代碼


  1. '''
  2. Name: Stepper Motor rotate custom angle from serial and OLED display
  3. Version: v1.0
  4. Date: 2025.05
  5. Author: ljl
  6. Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle from UART, and OLED display the motor state in moving or steady.
  7. Hardware connect:
  8. 0 ---- IN1 (ULN2003)
  9. 1 ---- IN2 (ULN2003)
  10. 18 ---- IN3 (ULN2003)
  11. 19 ---- IN4 (ULN2003)
  12. 8 ---- RXD (CH340)
  13. 9 ---- TXD (CH340)
  14. 4 ---- SDA (OLED_SSD1306)
  15. 5 ---- SCL (OLED_SSD1306)
  16. Serial send style: {"angle": 40}
  17. '''
  18. ​
  19. from machine import Pin, UART, SoftI2C
  20. import ssd1306 # OLED
  21. import ujson # read uart string
  22. import utime
  23. ​
  24. # ==== Initialized IIC OLED ====
  25. i2c = SoftI2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4))
  26. oled_width = 128
  27. oled_height = 64
  28. oled = ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)
  29. ​
  30. # display the motor state
  31. def display_motor(angle,state):
  32.     oled.fill(0)  # 清屏
  33.     oled.text("Rotate Angle: ", 0, 0)
  34.     oled.text("{:.1f} deg".format(angle), 20, 15)
  35.     oled.text("State: ", 0, 35)
  36.     if state == 1:
  37.         oled.text("Rotating ...", 20, 50)
  38.     elif state == 0:
  39.         oled.text("Reset", 20, 50)
  40.     else:
  41.         oled.text("Error", 20, 50)
  42.     oled.show()
  43. ​
  44. # 電機控制引腳
  45. coils = [
  46.     Pin(0, Pin.OUT),  # A相 (IN1)
  47.     Pin(1, Pin.OUT),  # B相 (IN2)
  48.     Pin(18, Pin.OUT),  # C相 (IN3)
  49.     Pin(19, Pin.OUT)   # D相 (IN4)
  50. ]
  51. ​
  52. # 四相八拍步進電機的相序
  53. STEP_SEQ = [
  54.     [1, 0, 0, 1],  # AB'
  55.     [1, 0, 0, 0],  # A
  56.     [1, 1, 0, 0],  # AB
  57.     [0, 1, 0, 0],  # B
  58.     [0, 1, 1, 0],  # BC
  59.     [0, 0, 1, 0],  # C
  60.     [0, 0, 1, 1],  # CD
  61.     [0, 0, 0, 1]   # D
  62. ]
  63. ​
  64. # 驅動電機旋轉指定步數(shù)；delay_ms 步間延時(ms)，控制轉速
  65. def step_motor(steps, delay_ms=1):
  66.     direction = 1 if steps >=0 else -1
  67.     for _ in range(abs(steps)):
  68.         for phase in range(8)[::direction]:  # 方向控制
  69.             for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
  70.                 coil.value(state)
  71.             utime.sleep_ms(delay_ms)
  72. ​
  73. # 角度控制
  74. def rotate_angle(angle):
  75.     steps_per_rev = 509  # 64步/拍 × 8拍 × 8相位
  76.     steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
  77.     step_motor(steps)
  78. ​
  79. # 釋放電機扭矩
  80. def release():
  81.     for coil in coils:
  82.         coil.value(0)
  83. ​
  84. # 串口控制旋轉角度
  85. def uart_control():
  86.     uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))
  87.     while True:
  88.         if uart.any():
  89.             cmd = uart.read()
  90.             try:
  91.                 data = ujson.loads(cmd)
  92.                 ra = float(data['angle']) # rotate angle
  93.                 display_motor(ra,1)
  94.                 rotate_angle(ra)
  95.                 release()
  96.                 display_motor(ra,0)
  97.             except:
  98.                 uart.write('Invalid command\r\n')
  99.                 release()
  100.         else:
  101.             release()
  102.             #display_motor(0,0)
  103.         utime.sleep_ms(100)
  104. ​
  105. # main loop
  106. display_motor(0,0) # initialize OLED display
  107. while True:
  108.     uart_control()
復制代碼


效果




oled_step-motor_moving.gif


總結

本文介紹了樹莓派 RP2350 開發(fā)板實現(xiàn)步進電機驅動的項目設計，包括旋轉角度的精確控制、串口發(fā)送實現(xiàn)自定義角度旋轉、OLED 顯示旋轉狀態(tài)等，為 RP2350 的開發(fā)、設計和應用提供了參考。



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