本次主要介绍了步进电机的结构、工作原理和电机参数，最通过实验实现步进电机的运动
简单控制。本章的功能是：通过 ULN2003 驱动模块控制 28BYJ48 按下步进电机的运行方向和速度 KEY1 按钮可调节电机旋转方向；按下 KEY2 按钮，电机加速；按下 KEY3 按钮，电机减速。本章可参考上述实验章节。

步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的速度和停止位置仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数量，而不受负载变化的影响，即向电机添加脉冲信号，电机转动步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差，没有累积误差。在速度、位置等控制领域使用步进电机控制变得非常简单。虽然步进电机得到了广泛的应用，但步进电机不能像普通的直流电机那样常规使用。控制系统必须由双环脉冲信号、功率驱动电路等组成。因此，充分利用步进电机并不容易，它涉及机械、电机、电子和计算机等专业知识。下图为混合步进电机组成图。

当电流通过定子绕组时，定子绕组通常会产生一矢量磁场。磁场驱动转子旋转一定角度，使转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转角度时。转子也随磁场转动。每次输入个电脉冲，电机就会转动一个角度。其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。因此，步进电机的旋转可以控制脉冲的数量、频率和电机各相绕组的通电顺序。具体看下图：

步进电机分为单极步进电机和双极步进电机；如下图所示：

左边是单极步进电机，右边是双极步进电机。从上图不难看出区别。单双极性是指一个步进电机里面有几种电流的流向，左侧的五线四相步进电机就是单极性的步进电机，图中的红色箭头为电流的走向，四根线的电流走向汇总到公共线，所以称之为单极性电机；但是右侧则不同，电机中有两个电流的回路，两个电流的回路自然就是双极性，所以称之为双极性电机。

单极性绕组

下图是步进电机的双极步进顺序。第一步：将 A 根据电磁铁的原理，相通电产生磁性，磁场将转子固定在第一步，因为异性相吸；第二步：当 A 相关闭，B 当相通电时，转子会旋转 90°；第三步：B 相关闭、A 相通电，但极性与第一 1 相反，这促使转子再次旋转 90°。第四步：A 相关闭、B 极性与第相通电 2 步相反。重复这个顺序，促使转子按顺序 90°顺时针旋转步距角。

右手螺旋定则，如果A电流从左向右流动，则电流产生的磁场为N极

上图中显示的步进顺序是单相激励步进，也可以理解为每次通电只有一个磁相，或者 A 相，要么 B 相；但更常用的是双相激励，但在转换过程中，一次只能转换一次，详见下图：

上图显示了两个相同通电的旋转顺序。与单相激励不同，单相通电后固定在与定子对面的绕组极性上，但转子固定在两个绕组极性之间；此时，通电顺序变成 AB 同时通电。

在双相激励的过程中，也可以添加一个关闭相位的状态，产生半步现象，将步进电机的整个步距角分为两个，例如，一个 90°步进电机将每半步移动一次 45°，具体见下图。

1. A 相通电，B 相不通电

2. A、B 相同的电流产生相同的磁性

3. B 相通电，A 断电

4. B 相通电，A 电流相等，产生相同的磁性

5. A 相通电，B 断电

6. A、B 相同的电流产生相同的磁性

7. B 相通电，A 断电

8. B 相通电，A 相通电，且电流相等，产生相同磁性

其中 1~4 步与 5~8 步骤的电流方向相反(电流相反，电磁极性相反)，导致顺时针旋转。同样，逆时针可以逆转通电顺序。

类似于双极步进电机的驱动，单极步进电机可分为整步和半步驱动模式。不同的是，双极步进电机可以通过改变电流的方向来改变每个阶段的磁场方向，但单极步进电机不能。它有一个公共端，这直接决定了电流的方向。具体旋转顺序见下图：

上图是单极步进电机的整个旋转过程，其中在图中分为 5 根线，分别是 A、B、C、D 和公共端（ ），公共端需要一直通电，剩下的 ABCD 只要相要有相通低电平，就可以形成电路产生磁场。图中的通电顺序是 A->B->C->D，可完成上图顺时针旋转，逆时针旋转只需倒序即可。

以上是单相通电产生的整个旋转，也可以产生两相通电。两个相邻的相通电，使两个相邻的相产生电路和磁场。图中的通电顺序为AB->BC->CD->DA，逆时针旋转的顺序也是如此。详见下图:

以上两张图清楚地描述了单极步进电机的通电顺序和旋转过程。综合这两张图是单极步进电机的半步通电顺序。详见下图：

上图兼容了前两张图的所有特征，也可以说前两张图是这张图的子集，图中的通电顺序是:A->AB->B->BC->C->CD->D->DA 转子一次只走半步 45 度，所以这也被称为半步驱动，与整步相比半步的旋转方式旋转起来更加的顺滑。

对于细分驱动的原理，不分单极性步进电机，下图以单极性为例：

上图为双相激励；图中（a）为 A 相电流很大，B 相的电流极其微弱，接近 0；图 ? 为 A 相和 B 相电流相同，电流决定磁场，所以 A 相和 B 磁场相也相同，(a) 和（c）可以是极限特殊情况，然后看图片（b）和图（d）这两个是因为 A 相和 B 相的电流产生不同的位置；可以得出结论，改变定子的电流比可以使转子在任何角度停止。细分的原理是，通过改变定子的电流比，改变转子在一个步骤中的不同位置，可以将一个步骤分为多个步骤。

? 步距角精度：步进电机转动步距角的理论值与实际值之间的误差。以百分比表示：误差/步距角 *100%。
? 失步：电机运行时的步数不等于理论步数。它也可以被称为失步，通常是由于负载过大或频率过快。例如，发送三个脉冲，只接收两个脉冲。
? 失衡角：转子齿轴偏移定子齿轴角，电机运行存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
• 最大空载起动频率：在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
• 最大空载的运行频率：电机不带负载的最高转速频率。
• 运行转矩特性：电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
• 电机正反转控制：通过改变通电顺序而改变电机的正反转。

​ 28BYJ48 步进电机自带减速器，为四相无线步进电机，直径为 28mm，实物如下所示：

​ 28BYJ48 电机内部结构等效图如下所示：

​ 28BYJ48 步进电机旋转驱动方式如下表：

​ 28BYJ48 步进电机主要参数如下所示：

​ 在上图中 28BYJ48 步进电机主要参数中可以看到有一个减速比：1:64，步进角为 5.625/64 度，如果需要转动一圈，那么需要 360/5.625*64=4096 个脉冲信号。

​ 减速比这个和之前介绍的直流减速电机有点类似，所以 28BYJ48 步进电机实际上是：减速齿轮+步进电机组成，28BYJ48 步进电机减速齿轮实物图如下所示：

​ 减速齿轮计算方法如下所示：

VCC连接步进电机的公共端，out分别连接A，B，C，D四个极。

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#include"reg52.h"

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

//按教程的参数表来分配
sbit IN1_D=P1^0;//橙
sbit IN1_C=P1^1;//黄
sbit IN1_B=P1^2;//粉
sbit IN1_A=P1^3;//蓝

sbit KEY1=P3^0;//这是A5-A7的对应分配.而A2-A4中的P31指定连接KEY1，P30指定连接KEY2
sbit KEY2=P3^1;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;

#define KEY1_PRESS 1
#define KEY2_PRESS 2
#define KEY3_PRESS 3
#define KEY4_PRESS 4
#define KEY_UNPRESS 0

#define STEPMOTOR_MAXSPEED 1
#define STEPMOTOR_MINSPEED 5
void delay_1ms(u16 ms)
{ 
        
	u16 i,j;
	for(i=ms;i>0;i--)
		for(j=110;j>0;j--);//注意分号
}
void delay_10us(u16 ten_us)
{ 
        
		while(ten_us--);
}

u8 key_scan(u8 mode)
{ 
        
	static u8 key=1;
	
	if(mode)key=1;//mode为假，单次扫描；mode为真，多次扫描
	if(key==1&&(KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0||KEY4==0))
	{ 
        
				delay_10us(10000);//消抖处理10ms
				key=0;
				if(KEY1==0)
					return KEY1_PRESS;
				else if(KEY2==0)
					return KEY2_PRESS;
				else if(KEY3==0)
					return KEY3_PRESS;
				else if(KEY4==0)
					return KEY4_PRESS;
	}else if(KEY1==1&&KEY2==1&&KEY3==1&&KEY4==1)//按键松开
		{ 
        
			key=1;
		}	
		return KEY_UNPRESS;//返回0
}	

void step_motor_28BYJ48_send_pulse(u8 step,u8 dir)//step为步数,dir为方向
{ 
        	
	u8 temp=step;
	if(dir==0)//如果为0就反方向转动
		temp=step-7;
	 switch(temp)
	 { 
        
			case 1: IN1_A=1;IN1_B=0;IN1_C=1;IN1_D=0;break;
			case 2: IN1_A=1;IN1_B=1;IN1_C=0;IN1_D=0;break;
			case 3: IN1_A=1;IN1_B=1;IN1_C=0;IN1_D=1;break;
			case 4: IN1_A=1;IN1_B=0;IN1_C=0;IN1_D=1;break;
			case 5: IN1_A=1;IN1_B=0;IN1_C=1;IN1_D=1;break;
			case 6: IN1_A=0;IN1_B=0;IN1_C=1;IN1_D=1;break;
			case 7: IN1_A=0;IN1_B=1;IN1_C=1;IN1_D=1;break;
			case 8: IN1_A=0;IN1_B=1;IN1_C=1;IN1_D=0;break;
	 }
}
void main()
{ 
        
		u8 key=0;//保存变量返回值
		u8 dir=0;
		u8 step=0;
		u8 speed=STEPMOTOR_MAXSPEED;
		while(1)
		{ 
        
		key=key_scan(0);
		if(key==KEY1_PRESS)
			dir=!dir;
		else if(key==KEY2_PRESS)//加速
		{ 
        
			if(speed>STEPMOTOR_MAXSPEED)
				speed--;
		}
		else if(key==KEY2_PRESS)//减速
		{ 
        
			if(speed<STEPMOTOR_MINSPEED)
				speed++;
		}
		step_motor_28BYJ48_send_pulse(++step,dir);
		if(step==8)step=1;
		delay_1ms(speed);
	}
}