步进电机（ULN2003 驱动）

四相五线制 · 相序脉冲控制 · 整步/半步模式

一、理论基础

1.1 器件概述

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的执行机构。每输入一个脉冲信号，步进电机就转动一个固定的角度（步距角）。通过控制脉冲的个数、频率和相序，可以精确控制步进电机的转角、转速和方向。

本实验系统采用四相五线制步进电机，由 ULN2003 达林顿管阵列驱动。

1.2 工作原理

步进电机内部有多个绕组（相位），通过按特定顺序给各相绕组通电，产生旋转磁场，带动转子转动。

四相步进电机的工作模式：

模式	说明	特点
整步模式（单相）	每次只给一相通电	步距角大，力矩小
整步模式（双相）	每次给两相同时通电	步距角大，力矩大
半步模式	交替使用单相和双相	步距角减半，精度高，运行平稳

半步模式脉冲分配（4 相 8 拍）：

序号	当前状态	正转脉冲	反转脉冲
1	0100	0101	0001
2	0101	0001	0100
3	0001	1001	0101
4	1001	1000	0001
5	1000	1010	1001
6	1010	0010	1000
7	0010	0110	1010
8	0110	0100	0010

整步模式脉冲分配（4 相 4 拍，双相）：

序号	当前状态	正转脉冲	反转脉冲
1	0101	1001	0110
3	1001	1010	1010
5	1010	0110	1001
7	0110	0101	0101

1.3 关键参数

参数	规格
电机类型	四相五线制步进电机
驱动芯片	ULN2003（7 路达林顿管阵列）
控制口	P1.4~P1.7（4 相控制）
步距角	5.625°/64（减速后）
供电	VCC5
控制方式	相序脉冲 + 延时控制转速

1.4 典型应用

• 3D 打印机、CNC 机床
• 机器人关节、机械臂
• 智能小车（精确里程计）
• 摄像头云台、自动对焦
• 纺织机、印刷机、包装机
• 自动阀门、风门控制
• 教学实验（电机控制原理）

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二、实验实例：步进电机控制

2.1 实验目的

1. 掌握步进电机的工作原理
2. 掌握步进电机控制程序的编程方法

2.2 实验内容

在 IAR 集成开发环境中编写步进电机控制程序，通过循环控制 4 个相序使步进电机旋转。

2.3 预备知识

1. 了解 C 语言的基本知识
2. 了解 IAR 中编写和调试程序的方法
3. 了解步进电机相序控制原理

2.4 实验设备

• 硬件：WSN-V 教学实验箱（带电机扩展板）、PC 机
• 软件：Windows + IAR EW for 8051

2.5 驱动电路

ULN2003 为驱动芯片，提供控制步进电机所需的驱动电流。CC2530 的 P1.4~P1.7 输出相序控制信号，经 ULN2003 放大后驱动步进电机的 4 个绕组。

电路说明：

• U1（ULN2003）为 7 路达林顿管阵列驱动芯片
• P1.4~P1.7 连接 ULN2003 输入端（1B~4B）
• ULN2003 输出端（1Q~4Q）连接步进电机 M2 的 4 个绕组
• VCC5 为电机供电，COM 端接 VCC5
• ULN2003 内部集成续流二极管，保护驱动管

2.6 关键代码

unsigned char pluse_table_1[] = {
    0x05, 0x09, 0x0a, 0x06,  // 整步双相模式：0101, 1001, 1010, 0110
};

void main(void)
{
    unsigned char i;
    P0DIR = 0xf1;   // P0.0, P0.4~P0.7 为输出
    P1DIR = 0xf1;   // P1.0, P1.4~P1.7 为输出
    P2DIR |= 0x01;  // P2.0 为输出
    P0_6 = 0;       // 停止直流电机

    while(1)
    {
        for(i=0;i<4;i++){
            P1 = (pluse_table_1[i] << 4);  // 输出相序到 P1.4~P1.7
            delay();                          // 延时控制转速
        }
        P0_0 = ~P0_0;  // 反转 LED 指示
        P2_0 = ~P2_0;
    }
}

2.7 实验步骤

1. 连接好仿真器，及带电机扩展板的通用调试母板
2. 新建工程 StepMotor，添加相应文件并修改工程设置
3. 创建 StepMotor.c 并加入到工程中
4. 编写 StepMotor 相关函数，控制步进电机循环旋转
5. 编译下载运行，观察步进电机的循环旋转速度

2.8 实验现象

• 步进电机按设定的相序和延时循环旋转
• 改变延时函数的时间可以改变电机转速（延时越短，转速越快）
• 反转脉冲表可以使电机反转
• 半步模式（8 拍）比整步模式（4 拍）运行更平稳、步距角更小

知识点

步进电机的转速由脉冲频率决定（频率越高，转速越快），转角由脉冲个数决定，方向由相序顺序决定。步进电机存在启动频率限制：如果启动时脉冲频率过高，电机可能无法启动（丢步）。实际应用中通常需要"加速—匀速—减速"的曲线控制。ULN2003 是达林顿管阵列，只能提供单向驱动（吸电流），适合驱动小功率步进电机；大功率电机需要使用专用步进电机驱动芯片（如 A4988、DRV8825）。

内容来源：《WSN-V 物联网综合教学实验指导书》第 7 章·7.3 步进电机实验，结合课程教学经验整理。

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