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树莓派RP2350实现步进电机精确控制

2025-05-03 16:03阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2306534157

树莓派RP2350 - 步进电机驱动
本文介绍了树莓派 RP2350 开发板实现步进电机驱动的项目设计，主要包括旋转角度的精确控制、串口发送实现自定义角度旋转、OLED 显示旋转状态三部分。
扩展板PCB工程详见：RP2350扩展板 - 立创开源硬件平台
.

项目介绍

包括步进电机原理、该项目使用的 28BYJ-48 步进电机，及其驱动器——ULN2003 驱动模块介绍。

步进电机原理

步进电机（Stepper Motor）是一种将电脉冲信号转换为精确角度位移的执行器件，属于开环控制电机。
树莓派RP2350实现步进电机精确控制

核心特点：每接收一个脉冲，转子就转动一个固定的角度（称为“步距角”），无需反馈传感器即可实现位置控制。
  1. 结构组成
    • 定子
：绕有线圈的磁极，分为多相（常见2相、4相、5相）。

  • 转子
：永磁体（永磁式）或齿状铁芯（反应式/混合式）。
  • 定子绕组按特定顺序通电，产生旋转磁场，吸引转子逐步转动。
  • 工作过程
  • 通过控制器（如单片机）发送脉冲信号，驱动电路按顺序切换定子绕组的电流方向。
  • 每切换一次，转子转动一个步距角，连续脉冲使电机连续旋转。

28BYJ-48 步进电机


28BYJ-48 是一款常见的低成本、小扭矩 5 线单极步进电机，可使用 ULN2003 控制器和单片机实现旋转控制，广泛用于打印机、扫描仪、摄像机云台、空调、家电、玩具、消费电子等领域。
树莓派RP2350实现步进电机精确控制

参数


28BYJ-48 是一款适应性强的 5V DC步进电机，设计紧凑，适用于各种应用。
它具有四个相位，速度变化比为1/64，步距角为5.625°/64步，允许精确控制。
电机在100Hz频率下工作，25°C 时的直流电阻为 50Ω ±7% .
它的空载牵引频率大于600Hz，空载脱离频率超过1000Hz，确保在不同场景下的可靠性。
28BYJ-48 在 120Hz 时的自定位转矩和牵引转矩均超过 34.3mN.m，提供强劲性能。
其摩擦转矩范围为600到1200 gf.cm，而拉入转矩为300 gf.cm。
实际输出轴步距角为 5.625°/64 ≈ 0.0879°，转一圈理论上需要 64×64=4096 步，实际可能存在误差。
详见：
28BYJ-48 数据手册
.

ULN2003 驱动器


ULN2003 是一款常用的达林顿晶体管阵列芯片，专为驱动高电流负载（如继电器、步进电机、LED阵列等）设计。其作用是将 MCU 输出的弱电流信号转换为大电流输出，是控制 28BYJ-48 步进电机的核心驱动芯片。
树莓派RP2350实现步进电机精确控制

原理图

树莓派RP2350实现步进电机精确控制



使用时需要将 28BYJ-48 步进电机的5线快接插头与 ULN2003 模块对应接口连接，并将模块的 4 个控制引脚（信号输入端，丝印 IN1、IN2、IN3、IN4）与单片机对应引脚相连，实现控制信号输入。
详见：
ULN2003A 数据手册 - Texas Instruments
.

项目方案


具体执行方案和工程测试流程如下
  1. 1.步进电机原理
  • 2.旋转角度的精确控制
  • 3.串口发送实现自定义角度旋转
  • 4. OLED 显示旋转状态

#1 旋转指定角度

本节介绍并实现了指定角度的步进电机旋转控制。

硬件连接

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


代码

'''
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)
Ref: https://pico.nxez.com/2023/11/24/how-to-use-the-stepper-motors-on-raspberry-pi-pico.html
'''
from
machine import Pin
import utime
# 电机控制引脚
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)
] # 四相八拍步进电机的顺序值
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
] '''
驱动电机旋转指定步数
:param steps: 正数=顺时针，负数=逆时针
:param delay_ms: 步间延时(ms)，控制转速
'''
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)
# 旋转角度控制
def
rotate_angle(angle):
steps_per_rev = 509
steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
step_motor (steps)
# 释放电机扭矩
def
release():
for coil in coils:
coil .value(0)
while
True:
#rotate_angle(1) # 以单步方式持续转动 rotate_angle
(180) # 逆时针
release ()
utime .sleep_ms(2000)
rotate_angle (-90) # 顺时针
release ()
utime .sleep_ms(2000)



树莓派RP2350实现步进电机精确控制


由供电处的电压-电流计量工具可知，步进电机旋转工作时的功率约为 1W

#2 串口自定义角度

在实现步进电机旋转驱动的基础上，进一步实现串口发送自定义角度并旋转的功能设计方案。

硬件连接

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



代码

'''
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
# 电机控制引脚

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