单片机控制步进电机：步序生成与驱动电路设计全攻略

# 1. 步进电机基础**

步进电机是一种将电脉冲转换为机械角位移的机电转换器。其工作原理基于电磁感应，当线圈通电时会产生磁场，与转子上的永磁体相互作用，产生转矩。步进电机具有精度高、控制方便、响应快等优点，广泛应用于工业自动化、医疗设备和精密仪器等领域。

步进电机按相数可分为两相、三相和多相电机。其中，两相步进电机结构简单，控制方便，是应用最广泛的类型。三相步进电机具有更高的扭矩和更平稳的运行，常用于需要更高精度的场合。

# 2. 步进电机控制原理

步进电机控制原理涉及步序生成算法和电流控制策略，它们共同作用以实现步进电机的精确运动。

### 2.1 步序生成算法

步序生成算法确定步进电机绕组的通电顺序，从而产生旋转运动。有两种主要类型的步序生成算法：

#### 2.1.1 全步进方式

全步进方式是最简单的步序生成算法，它一次激活一个绕组。这种方式产生较大的步进角，但扭矩较高。

**代码块：**

def full_step_sequence(steps):
    """全步进方式步序生成算法

    Args:
        steps: 要执行的步数

    Returns:
        步序列表
    """
    sequence = []
    for step in range(steps):
        sequence.append([1, 0, 0, 0])
        sequence.append([0, 1, 0, 0])
        sequence.append([0, 0, 1, 0])
        sequence.append([0, 0, 0, 1])
    return sequence

**逻辑分析：**

该代码块实现了全步进方式的步序生成算法。它将步数转换为一个步序列表，其中每个元素代表一个绕组的通电状态。

#### 2.1.2 半步进方式

半步进方式是一种更平滑的步序生成算法，它一次激活两个绕组。这种方式产生较小的步进角，但扭矩较低。

**代码块：**

def half_step_sequence(steps):
    """半步进方式步序生成算法

    Args:
        steps: 要执行的步数

    Returns:
        步序列表
    """
    sequence = []
    for step in range(steps):
        sequence.append([1, 0, 0, 0])
        sequence.append([1, 1, 0, 0])
        sequence.append([0, 1, 0, 0])
        sequence.append([0, 1, 1, 0])
        sequence.append([0, 0, 1, 0])
        sequence.append([0, 0, 1, 1])
        sequence.append([0, 0, 0, 1])
        sequence.append([1, 0, 0, 1])
    return sequence

**逻辑分析：**

该代码块实现了半步进方式的步序生成算法。它将步数转换为一个步序列表，其中每个元素代表两个绕组的通电状态。

### 2.2 电流控制策略

电流控制策略确定流过步进电机绕组的电流。有两种主要的电流控制策略：

#### 2.2.1 定电流控制

定电流控制策略将流过绕组的电流保持在恒定值。这种方式提供稳定的扭矩，但可能会导致电机过热。

**代码块：**

def constant_current_control(current):
    """定电流控制策略

    Args:
        current: 目标电流
    """
    # ... 控制电流的代码

**参数说明：**

* `current`：目标电流值

**逻辑分析：**

该代码块实现了定电流控制策略。它通过控制流过绕组的电流来保持恒定的扭矩。

#### 2.2.2 脉宽调制控制

脉宽调制（PWM）控制策略通过改变流过绕组的电流脉冲的宽度来控制电流。这种方式可以减少电机过热，但可能会产生噪音和振动。

**代码块：**

def pwm_current_control(current, duty_cycle):
    """PWM电流控制策略

    Args:
        current: 目标电流
        duty_cycle: PWM占空比
    """
    # ... 控制电流的代码

**参数说明：**

* `current`：目标电流值
* `duty_cycle`：PWM占空比

**逻辑分析：**

该代码块实现了PWM电流控制策略。它通过控制流过绕组的电流脉冲的宽度来保持恒定的扭矩。

# 3. 步进电机驱动电路设计

### 3.1 驱动器类型

步进电机驱动器根据驱动方式的不同，可分为双极性驱动器和单极性驱动器。

#### 3.1.1 双极性驱动器

双极性驱动器采用双极性供电方式，电机线圈根据正负极性进行切换，从而实现电机的转动。双极性驱动器具有较高的效率和转矩，但需要使用四路功率器件。

#### 3.1.2 单极性驱动器

单极性驱动器采用单极性供电方式，电机线圈始终与电源的一极相连，另一极通过功率器件进行切换。单极性驱动器结构简单，成本较低，但效率和转矩较低。