樹莓派+ L298N 控制二相四線步進電機

1 步進電機

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

1.1 步進電機相關概念

相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數，常用 m 表示。例如：二相四線電機，就有兩對極N、S磁場的激磁線圈，四個線圈。上圖可知，A+，A- 是連通的，B+ 和B- 是連通的，分別記為A組、B組。在不知道電機接線圖的情況下可以用萬用表測試，即相互連通的為一組。

拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數J運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（$50\times 4$）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（$50\times 8$）=0.9度（俗稱半步）。

定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。

靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。

1.2 二相四線步進電機工作原理

首先電機有4個電極，一共有4個線圈，兩兩串聯，A+與A-是一組線圈， B+與B-是一組線圈。

1、A+加正極，A-加負極，B+加負極，B-加負極，（電機狀態，N極朝上，如圖(a)所示）。

2、B+加正極，B-加負極，A+加負極，A-加負極，（電機狀態，N極朝右，電機順時針旋轉90°，如圖(b)所示）。

3、A-加正極，A+ 、B+ 、B- 皆加負極，（電機狀態，N極朝下，電機順時針再次旋轉90°，如圖?所示）。

4、B-加正極，A+ 、 A- 、B+ 皆加負極， （電機狀態，N極朝下，電機順時針再次旋轉90°，如圖(d)所示）。

只要依次給相應引腳相應的電平就可以使得電機轉動，轉動的最小角度為90度，正極順時針旋轉電機正轉，正極逆時針旋轉電機反轉。

1.3 二相四線步進電機通電方式

單四拍控制通電方式

A+B+A-B-

1	0	0	0
0	1	0	0
0	0	1	0
0	0	0	1

雙四拍控制通電方式

A+B+A-B-

1	1	0	0
0	1	1	0
0	0	1	1
1	0	0	1

單八拍控制通電方式

A+B+A-B-

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

2 驅動器

2.1 L298N電機驅動模塊

L298N就是L298的立式封裝，源自意法半導體集團旗下品牌產品，是一款可接受高電壓、大電流雙路全橋式電機驅動芯片，工作電壓可達46V，輸出電流最高可至4A，具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下通過板載跳帽插拔的方式，動態調整電路運作方式。有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作，也可以對外輸出邏輯電壓5V，為了避免穩壓芯片損壞，當使用大于12V驅動電壓時，務必使用外置的5V接口獨立供電。

L298N通過控制主控芯片上的I/O輸入端，直接通過電源來調節輸出電壓，即可實現電機的正轉、反轉、停止，由于電路簡單，使用方便，通常情況下L298N可直接驅動繼電器（四路）、螺線管、電磁閥、兩臺直流電機以及一臺步進電機（兩相或者四相）。

2.2 L298N 電機驅動版規格參數

驅動電機芯片：L298N雙H橋直流電機驅動芯片
驅動供電范圍：5V～35V ；如需板內取電，則供電范圍7V～35V
驅動峰值電流：2A
邏輯部分端子供電范圍：5V～7V（可板內取電5V）
邏輯部分工作電流范圍: 0～36mA
控制信號輸入電壓范圍：
低電平：-0.3V≤Vin≤1.5V
高電平： 2.3V≤Vin≤Vss
使能信號輸入電壓范圍：
低電平：-0.3≤Vin≤1.5V（控制信號無效）
高電平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信號有效）
最大功耗：20W（溫度T＝75℃時）、

ps：

VCC：C =circuit 表示電路的意思, 即接入電路的電壓

VSS ：S =series 表示公共連接的意思，通常指電路公共接地端電壓

VDD：D=device 表示器件的意思, 即器件內部的工作電壓

GND：Ground，電源的負極

VBAT：當使用電池或其他電源連接到VBAT腳上時，當VDD 斷電時，可以保存備份寄存器的內容和維持RTC的功能。如果應用中沒有使用外部電池，VBAT引腳應接到VDD引腳上

2.3 L298N 電機驅動板引腳

L298N驅動模塊的引腳可以簡單分為電源、控制和輸出等三大類。

電壓類引腳
+12 V輸入：L298N芯片的電源正極，模塊兒上標定為 12 V，實際取電范圍5 V～35 V ；如需板內取電，則供電范圍7 V～35 V
GND: L298N芯片的電源地，使用的時候應該把樹莓派的GND接到這里，即兩者需要共地。
+5V輸出：L298N芯片輸出的5V電源，可以給外部設備供電，使用的時候需要用跳線把5V輸出使能端短接起來。

控制類引腳

ENA、ENB：A、B通道的使能端，高電平有效，可以用PWM來實現調速。使用時，可以接到樹莓派的GPIO上，實現用程序進行控制。
IN1、IN2、IN3、IN4：IN1、IN2為A通道的控制輸入，IN3、IN4為B通道的控制輸入。

輸出類引腳
OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：OUT1、OUT2由A通道輸出，OUT3、OUT4由B通道輸出，可以用于連接直流電機、步進電機等設備。

3 樹莓派（3B）

樹莓派GPIO編號方式有三種，分別是：功能物理引腳(physical)、BCM以及wiring Pi.
功能物理引腳(Board)：從左到右，從上到下。左邊為奇數，右邊為偶數。共計40個引腳，計數為1-40。

BCM：編號側重于CPU寄存器，根據BCM2835的GPIO寄存器編號。具體編號參照上圖中BCM一欄。

wiring Pi： 編號側重實現邏輯，把擴展GPIO端口從0開始編號，這種編號方便編程。(本文沒有提及)

編號方式不影響使用，操作時明確使用一種就行。

4 硬件連接部分

電機為FDK的二相四線步進電機，黃、橙、棕、黑四種顏色的線分別為A+, A-, B+ , B-, 分別連接在L298N驅動板的OUT1 , OUT3 , OUT2, OUT4(也可以改順序，對應改代碼就行)。外接電源給L298N提供穩定的5V電壓，并使L298N與樹莓派共地（兩者的ground接通）。驅動板的IN1, IN2, IN3, IN4分別與樹莓派的功能物理引腳編號38、40、15、16相連接，ENA, ENB 可以不操作（板載跳帽是默認連通的，即為高電平），本文ENA, ENB與物理引腳18、20連接，并定義為高電平。

5 代碼部分

5.1 單四拍控制通電方式

# -*- coding: utf-8 -*- #通過聲明可以在程序中書寫中文 import RPi.GPIO as GPIO #引入RPi.GPIO庫函數命名為GPIO import time #引入計時time函數GPIO.setmode(GPIO.BOARD) #將GPIO編程方式設置為BOARD模式#接口定義 IN1 = 22 #將L298 IN1口連接到樹莓派Pin22 IN2 = 18 #將L298 IN1口連接到樹莓派Pin18 IN3 = 38 #將L298 IN1口連接到樹莓派Pin38 IN4 = 40 #將L298 IN2口連接到樹莓派Pin40 IN5 = 15 #將L298 IN3口連接到樹莓派Pin15 IN6 = 16 #將L298 IN4口連接到樹莓派Pin16def setStep(w1, w2, w3, w4, w5, w6):GPIO.output(IN1, w1)GPIO.output(IN2, w2)GPIO.output(IN3, w3)GPIO.output(IN4, w4)GPIO.output(IN5, w5)GPIO.output(IN6, w6)def stop():setStep(0, 0, 0, 0, 0, 0)def forward(delay, steps): for i in range(0, steps):setStep(1, 1, 1, 0, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 1, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 1, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 0, 1)time.sleep(delay)def backward(delay, steps): for i in range(0, steps):setStep(1, 1, 0, 0, 0, 1)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 1, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 1, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 1, 0, 0, 0)time.sleep(delay)def setup():GPIO.setwarnings(False)GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # Numbers GPIOs by physical locationGPIO.setup(IN1, GPIO.OUT) # Set pin's mode is outputGPIO.setup(IN2, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN3, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN4, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN5, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN6, GPIO.OUT)def loop():while True:print ("backward...")backward(0.01, 200) # 發射脈沖時間間隔0.01（單位秒） 脈沖個數200print ("stop...")stop() # stoptime.sleep(2) # sleep 2sprint ("forward...")forward(0.01, 200)print ("stop...")stop()time.sleep(2)def destroy():GPIO.cleanup() # 釋放數據if __name__ == '__main__': # Program start from heresetup()try:loop()except KeyboardInterrupt: # When 'Ctrl+C' is pressed, the child function destroy() will be executed.destroy()

5.2 單八拍控制通電方式

# -*- coding: utf-8 -*- #通過聲明可以在程序中書寫中文 import RPi.GPIO as GPIO #引入RPi.GPIO庫函數命名為GPIO import time #引入計時time函數# BOARD編號方式，基于插座引腳編號 GPIO.setmode(GPIO.BOARD) #將GPIO編程方式設置為BOARD模式#接口定義 IN1 = 22 #將L298 IN1口連接到樹莓派Pin22 IN4 = 18 #將L298 IN2口連接到樹莓派Pin18 IN3 = 38 #將L298 IN1口連接到樹莓派Pin38 IN4 = 40 #將L298 IN2口連接到樹莓派Pin40 IN5 = 15 #將L298 IN3口連接到樹莓派Pin15 IN6 = 16 #將L298 IN4口連接到樹莓派Pin16def setStep(w1, w2, w3, w4, w5, w6):GPIO.output(IN1, w1)GPIO.output(IN2, w2)GPIO.output(IN3, w3)GPIO.output(IN4, w4)GPIO.output(IN5, w5)GPIO.output(IN6, w6)def stop():setStep(0, 0, 0, 0, 0, 0)def forward(delay, steps): for i in range(0, steps):setStep(1, 1, 1, 0, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 1, 1, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 1, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 1, 1, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 1, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 1, 1)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 0, 1)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 1, 0, 0, 1)time.sleep(delay)def backward(delay, steps): for i in range(0, steps):setStep(1, 1, 1, 0, 0, 1)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 0, 1)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 1, 1)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 0, 1, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 1, 1, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 0, 1, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 1, 1, 0, 0)time.sleep(delay)setStep(1, 1, 1, 0, 0, 0)time.sleep(delay)def setup():GPIO.setwarnings(False)GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # Numbers GPIOs by physical locationGPIO.setup(IN1, GPIO.OUT) # Set pin's mode is outputGPIO.setup(IN2, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN3, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN4, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN5, GPIO.OUT)GPIO.setup(IN6, GPIO.OUT)def loop():while True:print ("backward...")backward(0.01, 200) # 發射脈沖時間間隔0.01（單位秒） 脈沖個數200print ("stop...")stop() # stoptime.sleep(2) # sleep 2sprint ("forward...")forward(0.01, 200)print ("stop...")stop()time.sleep(2)def destroy():GPIO.cleanup() # 釋放數據if __name__ == '__main__': # Program start from heresetup()try:loop()except KeyboardInterrupt: # When 'Ctrl+C' is pressed, the child function destroy() will be executed.destroy()

參考文獻

51單片機教程：二相四線步進電機驅動

零基礎玩轉樹莓派（五）—控制直流電機

樹莓派控制直流電機

L298N 電機驅動板 - 詳細介紹.datazhen

總結

以上是生活随笔為你收集整理的树莓派+ L298N 控制二相四线步进电机的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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