mBlock & Arduino（16）控制步进电机

小小云提示：教程作者 caterpillar是来自台湾的programmer（kinda），所以在一些专有名词的使用上会和我们这边使用的不太一样啦，不过作者也有标注出英文名称，大家自行转换哟(⁎⁍̴̛ᴗ⁍̴̛⁎)

步进电机这东西的学问真不少，就结论而言，控制步进电机最好的方式，就是找到与手边步进电机可以配合的程式库来使用。Arduino IDE 不是有 Stepper 程式库可以使用吗？嗯！它是可以用一些步进电机上，不过，不见得能完全发挥步进电机应有的控制能力，控制某些电机则会有些问题，正巧，我手上这颗 28BYJ-48 5V DC 就是！… XD

在 Arduino 官方网站的 Arduino – Stepper 文件中，谈到了步进电机的两个基本分类：单极步进电机（Unipolar Stepper）与双极步进电机（Bipolar Stepper）。那么就从这两个分类开始认识！

单极步进电机是提供单一方向的电流来驱动电机，例如：

在上图中，可以看到线圈各有一个共同接点，通常接电源，只要改变其他接点的电压讯号，就可以产生电流，而电流都是固定的方向，而由于有四个线圈，这样的电机被称为四相（Phase）电机。

双极步进电机的电流则是双向的，例如：

这类电机在驱动时，需要改变电流的方向来达到不同激磁的效果，而由于有两个线圈，这样的电机被称为二相电机。

电机的相数除了二向、四相之外，还有单相、三相、五相等，这是为了达到不同程度的控制，电机的控制是运用电流通过线圈会产生磁场，并与另一永久磁铁产生作用，来达到转动的效果，以四相步进电机为例：

如果做为定子的线圈激磁后，面对转子一面是 S 极，就会吸引转子的 N 极，只要依顺序对各相线圈激磁，就会产生转动效果，像上面这种一次激磁一个线圈的方式，称为一相激磁，因为每次只激磁一个线圈，电力消耗小，不过缺点是振动大、转距小。

常见的激磁方式是二相激磁，顾名思义，一次激磁两相，由于有两相用以吸引住转子，因此振动小、转距大：

也有一相、二相轮流激磁，称为一／二相激磁，顺序其实就是上面两张图的结合：

可以看出这种激磁方式，每次转动的角度为一相或二相激磁的一半，可以得到更精确的控制。

步进电机需要比较高的电压或电流驱动，在 Arduino 官方网站的 Arduino – Stepper 文件中，有 Unipolar Steppers 及 Bipolar Steppers 两个页面，介绍了如何连接出能驱动步进电机的电路，分别有可以接成两个控制脚位与四个控制脚位的方式。

其中会用到的 IC 是达灵顿阵列（Darlington Array），如先前〈mBlock &Arduino（15）认识晶体管与继电器〉谈到的，若想运用晶体管提供更大的电流来驱动电机，可以使用两个或多个晶体管的组合，达灵顿阵列中有多组达灵顿电路，以 ULN2003APG 来说，里头有七组达灵顿电路。

如果不想那么麻烦地自己接电路，那么可以依使用的步进电机来搭配现成的步进电机驱动模组：

这个步进电机驱动模组，左上四个脚位可以接到 Arduino 的数位输出脚位，下方有 +、- 两个脚位，分别接 Vcc 与 GND，右上白色插槽用来连接我手边这颗五线四相的 28BYJ-48 5V DC，上图步进电机驱动模组中的 ULN2003APG，可搭配 28BYJ-48 5V DC 这个步进电机：

28BYJ-48 5V DC 这个步进电机，其中红线是接 5V 电源，各线的连接是：

如果搭配 ULN2003，要对 28BYJ-48 5V DC 步进电机做激磁，那么 ULN2003 的输入脚位 4、3、2、1，提供电位以进行激磁的顺序为　…

一相激磁：1000-0100-0010-0001

二相激磁：1100-0110-0011-1001

一／二相激磁：1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001-1001

如果想要体验一下步进电机转动，那么可以简单地如下实作，脚位 D8 到 D11 分别对应至澄、黄、粉、蓝，例如一相激磁：

执行程式之后，你可以见到步进电机缓慢的转动，将顺序改为 S4 到 S1，就会看到电机缓慢的逆转，这边没有设任何的工作时间延迟，这是因为 mBlock 执行速度的关系，直接使用 Arduino 积木方块，只能是这个速度了。

类似地，以下是二相激磁：

以下是一／二相激磁：

如果想更进一步试试步进电机控制，可以使用 Arduino IDE 中的 Stepper 范例，它们使用到 Arduino 的 Stepper 程式库，不过，如果你手边是 28BYJ-48 5V DC 步进电机，就要注意一下了，以 stepper_oneRevolution 范例为例：

直接执行的话，你的电机只会有一个方向的转动，无法逆转，这是因为 28BYJ-48 5V DC 的接线顺序，与 Stepper 程式库预期的不同，如果你的 28BYJ-48 5V DC 的接线顺序由澄、黄、粉、蓝分别是接至 D8 到 D11，那么有两个方式可以解决，一个方式是在 Arduino 上将 D9 与 D10 接线对调，另一个方式是在建立Stepper时，9与10对调：

再来是stepsPerRevolution必须设定为你的电机实际上一圈会有多少步，如果是 28BYJ-48 5V DC 的话，查询到的规格上写着，步进角为5.625 / 64，因此这电机转一圈需要的步数是360 / (5.625 / 64)，也就是4096步，不过，这是一／二相激磁才会有的步数，如果你查看　Stepper 程式库原始码，会发现，它是采二相激磁的实作方式，因此，使用这个 Stepper 程式库，你实际上要设的stepsPerRevolution必须是2048步。

不过，如果你改了脚位也将stepsPerRevolution设为2048，步进电机还是不会动，这是因为 Stepper 程式库中setSpeed函式的关系：

这是以毫秒为单位来设置step_delay，如果你设为2048步，那number_of_steps就是2048，那么step_delay就会是29.296875 / whatSpeed，如果whatSpeed设为60，那结果就会是0.48828125，然而step_delay是unsigned long，也就是实际上结果只会储存0，那么step函式中millis() - this->last_step_time >= this->step_delay该行，就会一直是成立的，也就是完全没给工作时间，这么一来电机就不会动了。

因此，如果你直接使用 Stepper 程式库，设为 2048 步之后，那么速度就不能设太高，例如以下就可以正常正反转了：

如果你会使用 Arduino 官方语言的话，改写 Stepper 应该不是难事，可以试着实作一／二相激磁，并令其能支援 28BYJ-48 5V DC 的4096步与高转速，懒的话，网路上是也有人已经实作或改写好的版本，不过，想要精确控制的话，重点还是在于，认识你的步进电机与程式库！

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整理：宁波家电物联网云平台，中科极动云

按照前后左右控制键 *** 作。

通过按键控制mBot移动，走正方形可以先按前进键，然后按左键，然后按后退键，最后按右键即可。

通过左摇杆控制程小奔移动，拨动左摇杆是程小奔跟随摇杆方向运动，运动速度大小与拨动摇杆的幅度成正比。

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