树莓派RP2350实现步进电机精确控制

2025-05-03 16:03:37

标签： diy 树莓派 python 步进电机

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。

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。

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。

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。

原理图

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.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

= [

(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)

(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)

(18, Pin.OUT), # C相 (IN3)

(19, Pin.OUT) # D相 (IN4)

]

# 四相八拍步进电机的顺序值

STEP_SEQ

= [

, 0, 0, 1], # AB'

, 0, 0, 0], # A

, 1, 0, 0], # AB

, 1, 0, 0], # B

, 1, 1, 0], # BC

, 0, 1, 0], # C

, 0, 1, 1], # CD

, 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)

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

coils

= [

(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)

(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)

(4, Pin.OUT), # C相 (IN3)

(5, Pin.OUT) # D相 (IN4)

]

# 四相八拍步进电机的相序

STEP_SEQ

= [

, 0, 0, 1], # AB'

, 0, 0, 0], # A

, 1, 0, 0], # AB

, 1, 0, 0], # B

, 1, 1, 0], # BC

, 0, 1, 0], # C

, 0, 1, 1], # CD

, 0, 0, 1] # D

]

# 驱动电机旋转指定步数；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)

# 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)

# 串口控制旋转角度

def

uart_control():

uart

= machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))

while

True:

uart.any():

cmd

= uart.read()

try

data

= ujson.loads(cmd)

rotate_angle

(int(data['angle']))

release

()

except

uart

.write('Invalid command\r\n')

release

()

else

release

()

utime

.sleep_ms(100)

# main loop

while

True:

uart_control

()

这里为了节能并提高效率，仅在串口发送正确指令时旋转，其他情况均释放步进电机扭矩，此时电流约为 0 .

效果

由于调用了 ujson 库，因此串口发送指令需符合 json 格式，如

{"angle":40}

若串口发送 json 消息的格式错误，则反馈指令无效的提示。

#3 OLED 显示旋转状态

在前面实现步进电机旋转驱动、串口自定义角度控制的基础上，进一步实现串口发送角度、旋转、OLED 状态显示的功能设计方案。

硬件连接

GP0 ---- IN1 (ULN2003)

GP1 ---- IN2 (ULN2003)
GP18 ---- IN3 (ULN2003)
GP19 ---- IN4 (ULN2003)
GP8 ---- RXD (CH340)
GP9 ---- TXD (CH340)
GP4 ---- SDA (OLED_SSD1306)
GP5 ---- SCL (OLED_SSD1306)

流程图

代码

'''

Name: Stepper Motor rotate custom angle from serial and OLED display

Version: v1.0

Date: 2025.05

Author: ljl

Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle from UART, and OLED display the motor state in moving or steady.

Hardware connect:

0 ---- IN1 (ULN2003)

1 ---- IN2 (ULN2003)

18 ---- IN3 (ULN2003)

19 ---- IN4 (ULN2003)

8 ---- RXD (CH340)

9 ---- TXD (CH340)

4 ---- SDA (OLED_SSD1306)

5 ---- SCL (OLED_SSD1306)

Serial send style: {"angle": 40}

'''

from

machine import Pin, UART, SoftI2C

import

ssd1306 # OLED

import

ujson # read uart string

import

utime

# ==== Initialized IIC OLED ====

i2c

= SoftI2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4))

oled_width

= 128

oled_height

= 64

oled

= ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)

# display the motor state

def

display_motor(angle,state):

oled

.fill(0) # 清屏

oled

.text("Rotate Angle: ", 0, 0)

oled

.text("{:.1f} deg".format(angle), 20, 15)

oled

.text("State: ", 0, 35)

state == 1:

oled

.text("Rotating ...", 20, 50)

elif

state == 0:

oled

.text("Reset", 20, 50)

else

oled

.text("Error", 20, 50)

oled

.show()

# 电机控制引脚

coils

= [

(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)

(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)

(18, Pin.OUT), # C相 (IN3)

(19, Pin.OUT) # D相 (IN4)

]

# 四相八拍步进电机的相序

STEP_SEQ

= [

, 0, 0, 1], # AB'

, 0, 0, 0], # A

, 1, 0, 0], # AB

, 1, 0, 0], # B

, 1, 1, 0], # BC

, 0, 1, 0], # C

, 0, 1, 1], # CD

, 0, 0, 1] # D

]

# 驱动电机旋转指定步数；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)

# 角度控制

def

rotate_angle(angle):

steps_per_rev

= 509 # 64步/拍 × 8拍 × 8相位

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)

# 串口控制旋转角度

def

uart_control():

uart

= machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))

while

True:

uart.any():

cmd

= uart.read()

try

data

= ujson.loads(cmd)

= float(data['angle']) # rotate angle

display_motor

(ra,1)

rotate_angle

(ra)

release

()

display_motor

(ra,0)

except

uart

.write('Invalid command\r\n')

release

()

else

release

()

#display_motor(0,0)

utime

.sleep_ms(100)

# main loop

display_motor

(0,0) # initialize OLED display

while

True:

uart_control

()

效果

总结

本文介绍了 RP2350 开发板实现步进电机驱动的项目设计，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 显示旋转状态等，为 RP2350 的开发、设计和应用提供了参考。

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