mBlock & Arduino（16）控制步進電機

小小雲提示：教程作者caterpillar是來自台灣的programmer，所以在一些專有名詞的使用上會和我們這邊使用的不太一樣啦，不過作者也有標註出英文名稱，大家自行轉換喲(?????????)

步進電機這東西的學問真不少，就結論而言，控制步進電機最好的方式，就是找到與手邊步進電機可以配合的程式庫來使用。Arduino IDE 不是有 Stepper 程式庫可以使用嗎？嗯！它是可以用一些步進電機上，不過，不見得能完全發揮步進電機應有的控制能力，控制某些電機則會有些問題，正巧，我手上這顆 28BYJ-48 5V DC 就是！… XD

認識步進電機

在 Arduino 官方網站的Arduino – Stepper文件中，談到了步進電機的兩個基本分類：單極步進電機（Unipolar Stepper）與雙極步進電機（Bipolar Stepper）。那麼就從這兩個分類開始認識！

單極步進電機是提供單一方向的電流來驅動電機，例如：

在上圖中，可以看到線圈各有一個共同接點，通常接電源，只要改變其他接點的電壓訊號，就可以產生電流，而電流都是固定的方向，而由於有四個線圈，這樣的電機被稱為四相（Phase）電機。

雙極步進電機的電流則是雙向的，例如：

這類電機在驅動時，需要改變電流的方向來達到不同激磁的效果，而由於有兩個線圈，這樣的電機被稱為二相電機。

電機的相數除了二向、四相之外，還有單相、三相、五相等，這是為了達到不同程度的控制，電機的控制是運用電流通過線圈會產生磁場，並與另一永久磁鐵產生作用，來達到轉動的效果，以四相步進電機為例：

如果做為定子的線圈激磁後，面對轉子一面是 S 極，就會吸引轉子的 N 極，只要依順序對各相線圈激磁，就會產生轉動效果，像上面這種一次激磁一個線圈的方式，稱為一相激磁，因為每次只激磁一個線圈，電力消耗小，不過缺點是振動大、轉距小。

常見的激磁方式是二相激磁，顧名思義，一次激磁兩相，由於有兩相用以吸引住轉子，因此振動小、轉距大：

也有一相、二相輪流激磁，稱為一／二相激磁，順序其實就是上面兩張圖的結合：

可以看出這種激磁方式，每次轉動的角度為一相或二相激磁的一半，可以得到更精確的控制。

步進電機控制電路

步進電機需要比較高的電壓或電流驅動，在 Arduino 官方網站的Arduino – Stepper文件中，有Unipolar Steppers及Bipolar Steppers兩個頁面，介紹了如何連接出能驅動步進電機的電路，分別有可以接成兩個控制腳位與四個控制腳位的方式。

其中會用到的 IC 是達靈頓陣列（Darlington Array），如先前〈mBlock & Arduino（15）認識晶體管與繼電器〉談到的，若想運用晶體管提供更大的電流來驅動電機，可以使用兩個或多個晶體管的組合，達靈頓陣列中有多組達靈頓電路，以ULN2003APG來說，裡頭有七組達靈頓電路。

如果不想那麼麻煩地自己接電路，那麼可以依使用的步進電機來搭配現成的步進電機驅動模組：

這個步進電機驅動模組，左上四個腳位可以接到 Arduino 的數位輸出腳位，下方有 +、- 兩個腳位，分別接 Vcc 與 GND，右上白色插槽用來連接我手邊這顆五線四相的 28BYJ-48 5V DC，上圖步進電機驅動模組中的 ULN2003APG，可搭配 28BYJ-48 5V DC 這個步進電機：

28BYJ-48 5V DC 這個步進電機，其中紅線是接 5V 電源，各線的連接是：

如果搭配 ULN2003，要對 28BYJ-48 5V DC 步進電機做激磁，那麼 ULN2003 的輸入腳位 4、3、2、1，提供電位以進行激磁的順序為　…

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

以 mBlock 控制步進電機

如果想要體驗一下步進電機轉動，那麼可以簡單地如下實作，腳位 D8 到 D11 分別對應至澄、黃、粉、藍，例如一相激磁：

執行程式之後，你可以見到步進電機緩慢的轉動，將順序改為 S4 到 S1，就會看到電機緩慢的逆轉，這邊沒有設任何的工作時間延遲，這是因為 mBlock 執行速度的關係，直接使用 Arduino 積木方塊，只能是這個速度了。

類似地，以下是二相激磁：

以下是一／二相激磁：

關於 Stepper 程式庫

如果想更進一步試試步進電機控制，可以使用 Arduino IDE 中的 Stepper 範例，它們使用到 Arduino 的 Stepper 程式庫，不過，如果你手邊是 28BYJ-48 5V DC 步進電機，就要注意一下了，以 stepper_oneRevolution 範例為例：

直接執行的話，你的電機只會有一個方向的轉動，無法逆轉，這是因為 28BYJ-48 5V DC 的接線順序，與 Stepper 程式庫預期的不同，如果你的 28BYJ-48 5V DC 的接線順序由澄、黃、粉、藍分別是接至 D8 到 D11，那麼有兩個方式可以解決，一個方式是在 Arduino 上將 D9 與 D10 接線對調，另一個方式是在建立Stepper時，9與10對調：

再來是stepsPerRevolution必須設定為你的電機實際上一圈會有多少步，如果是 28BYJ-48 5V DC 的話，查詢到的規格上寫著，步進角為5.625 / 64，因此這電機轉一圈需要的步數是360 / (5.625 / 64)，也就是4096步，不過，這是一／二相激磁才會有的步數，如果你查看　Stepper 程式庫原始碼，會發現，它是采二相激磁的實作方式，因此，使用這個 Stepper 程式庫，你實際上要設的stepsPerRevolution必須是2048步。

不過，如果你改了腳位也將stepsPerRevolution設為2048，步進電機還是不會動，這是因為 Stepper 程式庫中setSpeed函式的關係：

這是以毫秒為單位來設置step_delay，如果你設為2048步，那number_of_steps就是2048，那麼step_delay就會是29.296875 / whatSpeed，如果whatSpeed設為60，那結果就會是0.48828125，然而step_delay是unsigned long，也就是實際上結果只會儲存0，那麼step函式中millis() - this->last_step_time >= this->step_delay該行，就會一直是成立的，也就是完全沒給工作時間，這麼一來電機就不會動了。

因此，如果你直接使用 Stepper 程式庫，設為 2048 步之後，那麼速度就不能設太高，例如以下就可以正常正反轉了：

如果你會使用 Arduino 官方語言的話，改寫 Stepper 應該不是難事，可以試著實作一／二相激磁，並令其能支援 28BYJ-48 5V DC 的4096步與高轉速，懶的話，網路上是也有人已經實作或改寫好的版本，不過，想要精確控制的話，重點還是在於，認識你的步進電機與程式庫！

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整理：寧波家電物聯網雲平台，中科極動雲

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