STM32筆記(27)：控制ULN2003驅動28BYJ-48步進馬達

本篇有兩個主題：一是使用不同的驅動方式控制步進馬達轉動的方向，另一個是控制其轉動的角度。過去曾使用樹梅派做過類似的控制，有些原理可以參考： Raspberry Pi 筆記(12)：控制步進馬達。本篇將使用一個按鍵來切換 28BYJ-48 步進馬達驅動的方式，並可讓馬達轉動 180 度。28BYJ-48 是一個常見的步進馬達，幾乎所有學習開發板的人，都會認識這個型號，而型號命名是有意義的：

28：步進馬達的有效最大外徑是 28 毫米
B：表示是步進馬達
Y：表示是永磁式
J：表示是減速型（減速比1:64）
48：表示四相八拍

[28BYJ-48規格]

28BYJ-48 步進馬達的規格如下：

單極兩種規格：DC 5V 及 12V
直徑：28mm
齒輪減速比（變速箱）：1/64
定子極數：上（8+8）、下（8+8）
轉子極數：16
步距角度：360 / 64 x 1/64 = 0.087890625（半步模式）
中心抽頭（紅線）與輸入引腳之間的直流電阻：21Ω
輸出軸步數/轉 = (8x4x2) x 64 = 4096（半步模式）
最大速度 = 15～20 rpm

線圈的接線如下圖：

圖片來源：Randomnerdtutorials.com

28BYJ-48 步進馬達有 4 相(表示 4 組線圈) 5 根線，紅色是公共端，接 5V 電源，4橙（A），3黃（B），2粉（C），1藍（D）。半步的減速比為 64:1 表示內部馬達轉動 64 圈，外部的軸才轉動 1 圈，可以算出內部馬達轉動一圈，外部軸心轉動角度為 360º / 64 = 5.625º。

若將 5.625º 乘以減速比得到輸出的解析度為：每步旋轉 5.625 x 1/64 = 0.087890625 度。由此算出若要讓外軸轉動一圈，內部馬達需要行走 360 / 0.087890625 = 4096 步。

這是在行走半步的模式，若為全步，則外軸轉動一圈，內部點機需轉動 64 / 2 = 32 步。這表示內部馬達必須移動 32×64 = 2048 步，外部的軸才能轉一圈。每一步將轉動 360º/ 2048 = 0.18º 。

[ULN2003驅動板]

ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度範圍寬、帶負載能力強等特點，適合各類要求高速大功率驅動的系統。在實際使用中，只需要使用 STM32 的 I/O 接 ULN2003 驅動板的 IN1 ～ IN4 即可，單片機和此驅動板需要共接地線。

旋轉步進馬達通常稱為驅動，可以是波浪驅動、全步驅動、半步驅動驅動三種之一：

1.全步波浪驅動(Wave Drive)時序為：D->C->B->A ，轉一圈需要四步，一次僅驅動一個線圈工作，較少的消耗。

時序	橙	黃	粉	藍
A	0	1	1	1
B	1	0	1	1
C	1	1	0	1
D	1	1	1	0

2.全步驅動(Full-Step Drive)時序為：AB->BC ->CD ->DA ，轉一圈需要四步，一次激勵兩個線圈，在最大扭矩下，更高的電流換來的是更高的扭矩。

時序	橙	黃	粉	藍
A	0	0	1	1
B	1	0	0	1
C	1	1	0	0
D	0	1	1	0

3.半步驅動(Half-Step Drive)時序為：A->AB->B ->BC ->C ->CD ->D ->DA ，轉一圈需要八步，可使用半步驅動以獲得更精確的運動。

時序	橙	黃	粉	藍
A	0	1	1	1
AB	0	0	1	1
B	1	0	1	1
BC	1	0	0	1
C	1	1	0	1
CD	1	1	0	0
D	1	1	1	0
DA	0	1	1	0

[材料]

STM32F103C8T6 主板 x 1
STLINK V2 模擬下載器 x 1
UNL2003 控制版 x 1
28BYJ-48 步進馬達 x 1
按鍵 x 1
麵包板 x 1
連接線 x N 條

[接線與電路圖]

UNL2003模組的正負分別接 3.3v 及 GND，IN1～IN4 接腳分別接在 STM32F103x 的 PA1 ～ PA4，按鍵的一腳接 PB14，另一端接地，連接的方式如下：

STM32F103x	UNL2003
5v	+
GND	-
PA1	IN1
PA2	IN2
PA3	IN3
PA4	IN4

[程式]

按鍵控制四種驅動方式：按一下使用波浪驅動方式轉動，按兩下使用全步驅動方式轉動，按三下使用半步驅動方式轉動，按四下轉動 180度後暫停，在繼續轉動180，持續進行到下一個按鍵按下。為了跟前一個動作有明顯的不同，每次變換動作，旋轉的方向就相反。主程式 main.c 如下：

#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "motor.h"
#include "button.h"
	
int main(void)
{
	uint16_t btn_count;
	
	delay_init(); 				//延時函數初始化
	Button_Init();				//按鍵初始化
	Step_Motor_GPIO_Init();		//步進馬達初始化
	
	while (1)
	{
		btn_count = Button_Get();
		if (btn_count%5 == 1){
			Motor_Start(1, 4, 1); 	// 順時鐘轉, 延時需大於4ms, 使用波浪驅動 	
		} 
		if (btn_count%5 == 2){
			Motor_Start(0, 4, 2); 	// 逆時鐘轉, 延時需大於4ms, 使用全步驅動
		}
		if (btn_count%5 == 3){ 
			Motor_Start(1, 2, 3); 	// 順時鐘轉, 延時2ms, 使用半步驅動
		}	
		if (btn_count%5 == 4){	
			Motor_Start_Angle(0, 4, 1, 180);	 //	轉動 180度
			delay_ms(50000);    	// 暫停再繼續
		} 
	}	
}

Motor.c 的程式如下：

#include "delay.h"
#include "motor.h"

//引腳初始化
void Step_Motor_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN1|IN2|IN3|IN4;
    GPIO_Init(MOTOR_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

// 波浪驅動
void Phase4_Single(u8 step, u8 delay)
{
    switch(step){
		case 1:
		IN1_HIGH; IN2_LOW; IN3_LOW; IN4_LOW;
		break;
	case 2:
		IN1_LOW; IN2_HIGH; IN3_LOW; IN4_LOW;
		break;
	case 3:
		IN1_LOW; IN2_LOW; IN3_HIGH; IN4_LOW;		
		break;
	case 4:
		IN1_LOW; IN2_LOW; IN3_LOW; IN4_HIGH;			
		break;
	}
	delay_ms(delay);
}

// 全步驅動
void Phase4_Double(u8 step, u8 delay)
{
    switch(step){
		case 1:
		IN1_LOW; IN2_HIGH; IN3_HIGH; IN4_LOW;
		break;
	case 2:
		IN1_LOW; IN2_LOW; IN3_HIGH; IN4_HIGH;
		break;
	case 3:
		IN1_HIGH; IN2_LOW; IN3_LOW; IN4_HIGH;		
		break;
	case 4:
		IN1_HIGH; IN2_HIGH; IN3_LOW; IN4_LOW;			
		break;
	}
	delay_ms(delay);
}

// 半步驅動
void Phase8_Single(u8 step, u8 delay)
{
    switch(step){
		case 1:
		IN1_LOW; IN2_HIGH; IN3_HIGH; IN4_HIGH;
		break;
	case 2:
		IN1_LOW; IN2_LOW; IN3_HIGH; IN4_HIGH;
		break;
	case 3:
		IN1_HIGH; IN2_LOW; IN3_HIGH; IN4_HIGH;		
		break;
	case 4:
		IN1_HIGH; IN2_LOW; IN3_LOW; IN4_HIGH;			
		break;
	case 5:
		IN1_HIGH; IN2_HIGH; IN3_LOW; IN4_HIGH;
		break;
	case 6:
		IN1_HIGH; IN2_HIGH; IN3_LOW; IN4_LOW;
		break;
	case 7:
		IN1_HIGH; IN2_HIGH; IN3_HIGH; IN4_LOW;		
		break;
	case 8:
		IN1_LOW; IN2_HIGH; IN3_HIGH; IN4_LOW;			
		break;	
	}
	delay_ms(delay);
}

//馬達停止
void Motor_Stop(void)
{
	IN1_LOW; IN2_LOW; IN3_LOW; IN4_LOW;	
}
	
/*
功能：轉動1/64圈
direction: 轉動方向 1:正轉 非1:反轉
delay: 延時時長，需 >= 2
phase: 1:四相單步, 2:四相雙步, 3:八相單步
*/

void Motor_Start(u8 direction, u8 delay, u8 phase)
{
	if (direction){  // 順時針轉			
		switch(phase){
			case 1:	
				for(u8 i=1;i<5;i++){
					Phase4_Single(i, delay);	}
				break;
			case 2:
				for(u8 i=1;i<5;i++){
					Phase4_Double(i, delay); }
				break;
			case 3:
				for(u8 i=1;i<9;i++){
					Phase8_Single(i, delay); }
				break;
			default:
				break;
		}	
	} else // 逆時針轉
	{
		switch(phase){
			case 1:	
				for(u8 i=4;i>0;i--){
					Phase4_Single(i, delay); }
				break;
			case 2:
				for(u8 i=4;i>0;i--){
					Phase4_Double(i, delay); }
				break;
			case 3:
				for(u8 i=8;i>0;i--){
					Phase8_Single(i, delay);	}
				break;
			default:
				break;
		}	
	}	
}

/*
功能：旋轉至特定角度
direction: 轉動方向 1:正轉 非1:反轉
delay: 延時時長，需 >= 2
phase: 1:四相單步, 2:四相雙步, 3:八相單步
angle: 轉動角度
*/
void Motor_Start_Angle(u8 direction, u8 delay, u8 phase, u16 angle)
{
	for(u16 j=0;j<(64*angle/45);j++){
		Motor_Start(direction, delay, phase);
	}
}

Motor.h 程式如下：

#ifndef __MOTOR_H__
#define __MOTOR_H__

#define MOTOR_PORT GPIOA
#define IN1 GPIO_Pin_1
#define IN2 GPIO_Pin_2
#define IN3 GPIO_Pin_3
#define IN4 GPIO_Pin_4

#define IN1_HIGH GPIO_SetBits(MOTOR_PORT,IN1);
#define IN1_LOW  GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT,IN1);

#define IN2_HIGH GPIO_SetBits(MOTOR_PORT,IN2);
#define IN2_LOW  GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT,IN2);

#define IN3_HIGH GPIO_SetBits(MOTOR_PORT,IN3);
#define IN3_LOW  GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT,IN3);

#define IN4_HIGH GPIO_SetBits(MOTOR_PORT,IN4);
#define IN4_LOW  GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT,IN4);

void Step_Motor_GPIO_Init(void);
void motor_circle(int n, int direction, int delay);
void Phase4_Single(u8 step, u8 delay);
void Phase8_Single(u8 step, u8 delay);
void Phase4_Double(u8 step, u8 delay);
void Motor_Start(u8 direction, u8 freq, u8 phase);
void Motor_Start_Angle(u8 direction, u8 freq, u8 phase, u16 angle);
void Motor_Stop(void);

#endif

完整的程式請參考 Github：12.ULN2003 Control 28BYJ-48 Stepper Motor

[結果]

按下三次按鍵使用半步驅動時，發現有時會停頓不會轉動，原因可能是我使用 STM32 開發板上的 5V 電源，加上這個驅動強調精度，扭力不足，如果改用外接電源，應該可以改變這個狀況。

STM32筆記(27)：控制ULN2003驅動28BYJ-48步進馬達

[28BYJ-48規格]

[ULN2003驅動板]

[材料]

[接線與電路圖]

[程式]

[結果]

[參考資料]

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