单片机步进电机控制：与伺服电机控制比较，选择最适合的解决方案

# 1. 单片机步进电机控制概述

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电机，广泛应用于工业自动化、医疗设备、机器人等领域。单片机步进电机控制是指利用单片机作为控制核心，通过发送脉冲信号控制步进电机运动。

单片机步进电机控制具有成本低、体积小、控制精度高、易于实现等优点。通过不同的控制算法，单片机可以实现步进电机的全步进、半步进、微步进等不同驱动方式，满足不同的应用需求。

# 2. 步进电机控制理论

### 2.1 步进电机的基本原理

#### 2.1.1 步进电机的构造和工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的执行器。其工作原理基于电磁感应定律，当线圈通电时会产生磁场，与永磁体相互作用产生转矩，从而带动转子转动。

步进电机由定子（绕组线圈）和转子（永磁体）组成。定子通常有 2 相、3 相或 4 相，不同的相位排列方式会产生不同的驱动模式。转子通常由永磁材料制成，具有多个极对，极对数决定了步进电机的步距角。

步进电机的步距角是指转子转动一个完整步长所需的电角度，通常用度数表示。步距角与定子相数和转子极对数有关，公式为：

步距角 = 360° / (相数 × 极对数)

#### 2.1.2 步进电机的分类和特性

步进电机可按相数、步距角和驱动方式进行分类：

- **相数：** 2 相、3 相、4 相等
- **步距角：** 1.8°、3.6°、7.5°、15°、30° 等
- **驱动方式：** 全步进驱动、半步进驱动、微步进驱动

步进电机的特性包括：

- **步距角：** 决定了电机的精度
- **扭矩：** 决定了电机的负载能力
- **速度：** 决定了电机的响应速度
- **惯量：** 影响电机的加减速性能

### 2.2 步进电机控制算法

步进电机控制算法决定了电机如何响应电脉冲信号。常见的三种驱动模式为：

#### 2.2.1 全步进驱动

全步进驱动是最基本的驱动模式，每个电脉冲信号驱动电机转动一个完整的步距角。该模式简单易控，但扭矩和速度相对较低。

#### 2.2.2 半步进驱动

半步进驱动通过交替激励相邻相位线圈，使电机转动半个步距角。该模式比全步进驱动具有更高的扭矩和速度，但控制算法更复杂。

#### 2.2.3 微步进驱动

微步进驱动通过细分电脉冲信号，使电机转动更小的步距角。该模式具有最高的精度和速度，但控制算法最为复杂，需要专用驱动器。

**代码块：**

// 全步进驱动算法
void fullStepDrive(int steps) {
  for (int i = 0; i < steps; i++) {
    digitalWrite(coil1, HIGH);
    digitalWrite(coil2, LOW);
    delay(1000); // 1ms 延时
    digitalWrite(coil1, LOW);
    digitalWrite(coil2, HIGH);
    delay(1000);
  }
}

// 半步进驱动算法
void halfStepDrive(int steps) {