ESP32基础-PWM_步进电机

第七章 步进电机

1. 导入

步进电机通过“脉冲计数”实现精准角度与位移控制，与直流电机（靠闭环调速）不同，步进电机“给多少步走多少步”。常见两类接法：

• 28BYJ-48 + ULN2003（5 线单极性，减速齿轮，低速、力矩小、便宜易用）
• NEMA17 等双极性步进电机 + A4988/DRV8825/TMC 系列驱动（STEP/DIR 接口，可微步，高速、力矩大）

本章分别给出两类电机的接线与代码，涵盖速度/方向控制、微步设置、释放/抱闸、加减速斜坡，以及协程非阻塞驱动。

2. 硬件设计

• 电源与地线：
  • 电机电源与 ESP32 逻辑电源建议分开供电，但 GND 必须共地。
  • 不要用 ESP32 的 3.3V/5V 口直接给电机供电。电机瞬时电流大，需要独立稳压电源。
• 干扰与去耦：
  • 电机是强干扰源；在驱动板和电源端加 100µF 电解 + 0.1µF 陶瓷去耦；线尽量短、星形接地。
• 安全 GPIO：
  • 避免使用启动相关脚 GPIO0/GPIO2/GPIO15；优先 4/5/16/17/18/19/21/22/23/25/26/27/32/33。

2.1 28BYJ-48 + ULN2003

• 供电：通常 5V（也有 12V 版，按铭牌），请接到电机电源，勿接 ESP32 3.3V。
• 接线（示例）：

ULN2003 IN1..IN4 --> ESP32 GPIO(14, 27, 26, 25)   // 仅信号
ULN2003 VCC      --> 外部 5V
ULN2003 GND      --> GND（与 ESP32 共地）
电机五芯线        --> 插在 ULN2003 插座（方向正确）

电机五芯线 --> 插在 ULN2003 插座（方向正确）

• 步距与齿比：
  • 28BYJ-48 内部步距 11.25°（32 步/圈），带约 1:64 齿轮。常见库设“每圈步数”为 2048（全步）或 4096（半步），实际略有误差。
  • 建议将 steps_per_rev 做成参数，后续标定。

2.2 NEMA17 + A4988/DRV8825（STEP/DIR）

• 供电：VMOT（电机电源，如 12V），VDD（逻辑 3.3/5V）。
• 接线（示例，A4988）：

ESP32 GPIO25 -> STEP     （脉冲上升沿触发，>1us）
ESP32 GPIO26 -> DIR      （方向 0/1）
ESP32 GPIO27 -> ENABLE   （低有效，拉低使能，可省略）
ESP32 GPIO21 -> MS1      （微步选择，可省略）
ESP32 GPIO22 -> MS2
ESP32 GPIO23 -> MS3
A4988 VDD    -> 3.3V（逻辑）
A4988 GND    -> GND（与 ESP32 共地）
A4988 VMOT   -> 12V 电机电源（旁路电容靠近驱动）
A4988 2A/2B/1A/1B -> 步进电机两相

• 注意事项：
  • 调 Vref 限流以保护电机与驱动（依驱动与电机相电流计算）。
  • 脉冲最小高电平宽度：A4988 ≥1µs（DRV8825 ≥1.9µs）；步频过高会丢步。
  • 微步设置：MS1/MS2/MS3 组合对应 1/2/4/8/16（DRV8825 可到 32）。

3. 软件设计

3.1 实验目标

• 28BYJ：全步/半步/波动三种激励，指定角度/圈数移动，释放/抱闸。
• STEP/DIR：方向、微步、转速控制；实现加减速斜坡（减小丢步）。
• 支持阻塞与 uasyncio 协程（非阻塞）两种方式。

3.2 关键模块

• machine.Pin：GPIO 输出（相位/STEP/DIR/EN/MS1…3）
• time：ticks_us/sleep_us 精确脉冲与步间隔
• uasyncio：并发与非阻塞时序

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4. 28BYJ-48：相位序列驱动

4.1 封装：Stepper28BYJ（ULN2003）

# 文件：stepper28.py
from machine import Pin
import time# 三种常用相位序列（按 IN1,IN2,IN3,IN4）
SEQ_WAVE = [(1,0,0,0),(0,1,0,0),(0,0,1,0),(0,0,0,1),
]
SEQ_FULL = [(1,1,0,0),(0,1,1,0),(0,0,1,1),(1,0,0,1),
]
SEQ_HALF = [(1,0,0,0),(1,1,0,0),(0,1,0,0),(0,1,1,0),(0,0,1,0),(0,0,1,1),(0,0,0,1),(1,0,0,1),
]class Stepper28BYJ:def __init__(self, pins, mode="half", steps_per_rev=4096):"""pins: [IN1, IN2, IN3, IN4]（与 ULN2003 IN1..IN4 对应）mode: "wave"|"full"|"half"（半步推荐，细腻力矩均衡）steps_per_rev: 配合所选模式的“每圈步数”，默认 4096（常用半步）"""self.pins = [Pin(p, Pin.OUT, value=0) for p in pins]self.mode = Noneself.seq = Noneself.set_mode(mode)self.steps_per_rev = steps_per_revself._idx = 0def set_mode(self, mode):if mode == self.mode:returnif mode == "wave":self.seq = SEQ_WAVEelif mode == "full":self.seq = SEQ_FULLelif mode == "half":self.seq = SEQ_HALFelse:raise ValueError("mode 必须为 wave/full/half")self.mode = modeself._idx = 0def _apply(self, state):for pin, v in zip(self.pins, state):pin.value(v)def release(self):"""释放线圈（省电、无保持力矩）"""for pin in self.pins:pin.value(0)def hold(self):"""保持当前相位（有保持力矩、发热）"""self._apply(self.seq[self._idx])def step_once(self, direction=1):"""单步：direction=+1 正向，-1 反向"""n = len(self.seq)self._idx = (self._idx + direction) % nself._apply(self.seq[self._idx])def move_steps(self, steps, rpm=10):"""以给定 rpm（转/分）移动 steps 步（可正可负，负值反转）。"""if steps == 0:returndirection = 1 if steps > 0 else -1steps = abs(steps)# 单步间隔（微秒）：60 秒 / (rpm * steps_per_rev) -> 秒/步delay_us = int(60_000_000 / (rpm * self.steps_per_rev))delay_us = max(800, delay_us)  # 过快易丢步，保守下限for _ in range(steps):self.step_once(direction)time.sleep_us(delay_us)def move_deg(self, deg, rpm=10):"""按角度移动（正=顺时针/取决于接线），deg 可负"""steps = int(self.steps_per_rev * (deg / 360.0))self.move_steps(steps, rpm=rpm)

4.2 示例：旋转 90°、一圈、释放

# 文件：main.py
from stepper28 import Stepper28BYJMOTOR_PINS = [14, 27, 26, 25]     # IN1..IN4
motor = Stepper28BYJ(MOTOR_PINS, mode="half", steps_per_rev=4096)# 旋转 90 度（顺时针）
motor.move_deg(90, rpm=12)
# 反向 90 度
motor.move_deg(-90, rpm=12)
# 一整圈
motor.move_steps(4096, rpm=10)# 释放线圈（省电）
motor.release()

• 若发现角度累计误差，校准 steps_per_rev（例如 4076~4096）。
• 需要保持位置抗干扰，请用 hold() 维持上一次相位（注意发热）。

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5. STEP/DIR：A4988/DRV8825 驱动

5.1 封装：StepDir（微步、速度、斜坡）

# 文件：stepdir.py
from machine import Pin
import time
try:import uasyncio as asyncio
except ImportError:asyncio = None_MICROSTEP_TABLE = {1:  (0,0,0),2:  (1,0,0),4:  (0,1,0),8:  (1,1,0),16: (1,1,1),# DRV8825 可到 32： (1,0,1) 等，视芯片而定
}class StepDir:def __init__(self, step, dir, en=None, ms1=None, ms2=None, ms3=None,steps_per_rev=200, driver="A4988"):"""step/dir/en/ms1..3: 对应引脚号（可为 None）steps_per_rev: 电机基础全步步数（NEMA17 多为 200）driver: 影响最小脉宽等注释（A4988/DRV8825）"""self.step = Pin(step, Pin.OUT, value=0)self.dir  = Pin(dir,  Pin.OUT, value=0)self.en   = Pin(en,   Pin.OUT, value=1) if en is not None else Noneself.ms1  = Pin(ms1,  Pin.OUT, value=0) if ms1 is not None else Noneself.ms2  = Pin(ms2,  Pin.OUT, value=0) if ms2 is not None else Noneself.ms3  = Pin(ms3,  Pin.OUT, value=0) if ms3 is not None else Noneself.driver = driverself.base_steps = steps_per_revself.microstep = 1  # 当前微步倍率self.set_microstep(1)  # 默认全步# 经验下限：保证脉冲宽度与间隔self.min_pulse_us = 2 if driver.upper()=="A4988" else 3self.min_step_interval_us = 200  # 5kHz 上限，视系统而定def set_enable(self, enabled=True):if self.en is None:return# A4988/DRV8825 ENABLE 为低有效self.en.value(0 if enabled else 1)def set_dir(self, forward=True):self.dir.value(1 if forward else 0)def set_microstep(self, m=1):m = int(m)if self.ms1 is None or self.ms2 is None or self.ms3 is None:# 无 MS 引脚时，只在内部记录倍率self.microstep = mreturnif m not in _MICROSTEP_TABLE:raise ValueError("不支持的微步倍率：{}".format(m))s1, s2, s3 = _MICROSTEP_TABLE[m]self.ms1.value(s1); self.ms2.value(s2); self.ms3.value(s3)self.microstep = mdef _pulse(self, pulse_us=None):"""产生一个 STEP 脉冲（上升沿有效），宽度 >= min_pulse_us"""w = max(self.min_pulse_us, int(pulse_us or self.min_pulse_us))self.step.value(1)time.sleep_us(w)self.step.value(0)def effective_steps_per_rev(self):return self.base_steps * self.microstepdef move_steps(self, steps, rpm=60):"""阻塞移动给定步数（可负），rpm 为机械转速（电机轴，非“步/秒”）"""if steps == 0:returnforward = steps > 0self.set_dir(forward)steps = abs(steps)eff_steps = self.effective_steps_per_rev()interval_us = int(60_000_000 / (rpm * eff_steps))  # 步间隔interval_us = max(interval_us, self.min_step_interval_us)self.set_enable(True)for _ in range(steps):self._pulse()time.sleep_us(interval_us)self.set_enable(False)def move_trapezoid(self, steps, vmax_sps=1200, ramp_steps=200):"""简化三角/梯形速度曲线（以 步/秒 为单位）：- 从低速线性加速到 vmax_sps，再匀速（若有），再减速到 0- ramp_steps: 加速段步数（减速对称），总步数不足时自动缩短到三角形"""if steps == 0:returnforward = steps > 0self.set_dir(forward)steps = abs(steps)up = min(ramp_steps, steps // 2)flat = steps - 2 * updef delay_from_sps(sps):sps = max(1, int(sps))return max(self.min_step_interval_us, int(1_000_000 / sps))self.set_enable(True)# 加速for i in range(up):sps = max(200, int(vmax_sps * (i + 1) / up))  # 从 ~200sps 起步self._pulse()time.sleep_us(delay_from_sps(sps))# 匀速for _ in range(flat):self._pulse()time.sleep_us(delay_from_sps(vmax_sps))# 减速for i in range(up, 0, -1):sps = max(200, int(vmax_sps * i / up))self._pulse()time.sleep_us(delay_from_sps(sps))self.set_enable(False)async def move_steps_async(self, steps, rpm=60):if asyncio is None:raise RuntimeError("uasyncio 不可用")if steps == 0:returnforward = steps > 0self.set_dir(forward)steps = abs(steps)eff_steps = self.effective_steps_per_rev()interval_us = int(60_000_000 / (rpm * eff_steps))interval_us = max(interval_us, self.min_step_interval_us)self.set_enable(True)for _ in range(steps):self._pulse()# asyncio 对 us 级别不精确，这里用 ms 近似await asyncio.sleep_ms(max(1, interval_us // 1000))self.set_enable(False)

5.2 示例：一圈、微步、斜坡

# 文件：main.py
from stepdir import StepDir
import time# A4988 引脚（按你的接线修改）
STEP, DIR, EN = 25, 26, 27
MS1, MS2, MS3 = 21, 22, 23drv = StepDir(step=STEP, dir=DIR, en=EN, ms1=MS1, ms2=MS2, ms3=MS3, steps_per_rev=200)# 全步，60rpm 转一圈
drv.set_microstep(1)
drv.move_steps(steps=drv.effective_steps_per_rev(), rpm=60)
time.sleep(0.5)# 1/16 微步，30rpm 转半圈
drv.set_microstep(16)
half_rev = drv.effective_steps_per_rev() // 2
drv.move_steps(steps=half_rev, rpm=30)
time.sleep(0.5)# 梯形加减速移动 2000 步，峰值 1500 步/秒，ramp 300 步
drv.move_trapezoid(steps=2000, vmax_sps=1500, ramp_steps=300)

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6. 协程版演示（非阻塞）

与其他任务并行运行（如传感器/网络）。注意：MicroPython 的协程定时精度以 ms 计，适合低至中低步频（~几百 sps）。

# 文件：main_async.py
from stepdir import StepDir
import uasyncio as asyncioSTEP, DIR, EN = 25, 26, 27
MS1, MS2, MS3 = 21, 22, 23async def main():drv = StepDir(STEP, DIR, EN, MS1, MS2, MS3, steps_per_rev=200)drv.set_microstep(8)# 并行两个任务：循环转动 + 打印状态async def spin():while True:await drv.move_steps_async(drv.effective_steps_per_rev()//4, rpm=20)await asyncio.sleep(0.3)await drv.move_steps_async(-drv.effective_steps_per_rev()//4, rpm=20)await asyncio.sleep(0.3)async def status():while True:print("running...")await asyncio.sleep(1)await asyncio.gather(spin(), status())asyncio.run(main())

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7. 工程建议与参数选择

• 步频与丢步：
  • 低速大力矩，高速力矩下降；起步步频过高易丢步，使用加速斜坡改善。
  • 典型稳妥步频：几百到 1~2 kHz；更高需优化代码或用专用定时/RMT 外设。
• 微步与力矩：
  • 微步让运行更平滑，但单微步力矩下降；负载重时可降低微步或提高电流限流。
• 28BYJ 标定：
  • 以 4096（半步）或 2048（全步）起步，实机测试 10 圈，修正 steps_per_rev。
• A4988/DRV8825：
  • 设置 Vref（限流）匹配电机额定相电流；加散热片/风冷避免过热。
  • STEP 脉冲高电平 ≥1µs（DRV8825 ≥1.9µs），步间隔满足数据手册。
• 释放与发热：
  • 停机时释放线圈可降温省电；需要抗扰保持位置则保持上电，但注意温升。
• 限位与归零：
  • 工程上加限位开关（光电/机械），上电先归零；可用 Pin.IRQ 捕获限位信号并停步。

8. 常见问题与排查

• 抖动、不转或异响：
  • 线序错或相序不对（28BYJ IN1…IN4 顺序错误）；A4988 电机两相接错。
• 丢步/失步：
  • 起步速度过高、加速度过快、供电电压偏低、负载过大；增加 ramp，降速或升压（在额定范围内）。
• 过热：
  • 电流限流过大或持续抱闸；调低 Vref，空闲释放线圈。
• 高速尖叫：
  • 微步更细、高频 PWM（TMC 系列更安静）、机械减振。
• 角度误差积累（28BYJ）：
  • 齿比非整（~1:63.684），累积误差需软件标定或闭环校正。

9. 小结

本章分别实现了 28BYJ-48（ULN2003 相位序列）与 NEMA17（A4988/DRV8825 STEP/DIR）的控制：完成方向/速度/角度控制、微步设置、释放/抱闸，并给出了简化的梯形加减速与协程非阻塞示例。通过合理的电源、接线与时序参数，你可以在 ESP32 上稳定地驱动步进电机完成定位与运动任务。

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