步进电机又称为脉冲电机，简而言之，就是一步一步前进的电机。
基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步，因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。
主要分类
目前市面上主要的步进电机，按照绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。
该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。
目前主流的步进电机一般是42步进电机和57步进电机。42步进电机的“42”，是指其外形长宽各为42mm。高一点的电机力矩通常更大，基本步距角一般为1.8°。42步进电机在3D打印以及各类DIY项目（如写字机）中应用非常广泛。
42步进电机：
57步进电机：
步进电机结构拆解
实际上，步进电机内部的结构主要是由许多小齿交错而成的，每交错一次步距角就可以缩小一倍。步距角越小则步进电机越精密，旋转一圈所需要的脉冲也就越多。目前市面上不管是42电机、57电机，亦或是86电机，其基本步距角通常都是1.8°。
混合式42步进电机爆炸视图：
42步进电机实物拆卸图：
42步进电机内部齿图：
TB6600驱动器简介
步进电机驱动器种类繁多，例如28步进电机驱动器ULN2003、A4988以及我们将要使用的TB6600等。
驱动器的内部原理较为复杂，不过我们无需深入理解其所有细节也能熟练使用。我们只需要了解每个端口的功能和正确接法即可。
TB6600驱动器手册地址：http://u3v.cn/63i7HW。
电路接线图示
端口功能讲解
如下图所示，TB6600驱动器一共有12个端口以及一排拨码开关。
12个端口分别为：电机使能信号（EN+/EN-）、方向控制信号（DIR+/DIR-）、步进脉冲信号（PUL+/PUL-）、电机两相（A+，A-，B+，B-）以及驱动电源（V+，V-）。
拨码开关中，SW1-SW3用于设置细分，SW4-SW6用于设置电流。
（1）电机使能信号（EN+）（EN-）：全名Enable。此信号相当于一个软件开关，用于控制电机是否具备旋转能力。当电机失能时，无论进行何种操作，电机均无反应。
（2）方向控制信号（DIR+）（DIR-）：全名Direction。通过控制此端口的高低电平，可以改变电机的旋转方向。利用此特性，可以实现按键控制方向等功能。
（3）步进脉冲信号（PUL+）（PUL-）：全名Pulse。这是控制步进电机运动的核心信号。驱动器内部的芯片会根据接收到的脉冲信号，转换成驱动电机旋转的相序信号。可以说，没有脉冲信号，电机就无法步进。
（4）电机两相（A+，A-，B+，B-）：目前市面上主流的步进电机多为两相，因其在保证精度的同时更具成本优势。
（5）拨码开关：SW1-SW3用于设置细分倍数（如1，2，4，8，16等），SW4-SW6用于设定输出电流。例如，对于额定电流1.5A的42电机，若采用8细分，则需将SW4、SW5设为ON，SW6设为OFF。
拨码开关的具体设置方法在驱动器背面均有明确标示，按图操作即可。
步进电机接线示意图
一个完整的控制系统需要控制器、驱动器和被控对象。本例中，控制器选用STM32F407单片机（其他型号如STM32F103亦可），驱动器为TB6600，被控对象为42步进电机。
驱动器接线
驱动器接线方式主要有两种：共阴极接法和共阳极接法。两者的本质相同，都是通过制造电位差来触发信号。
- 共阴极接法：将EN-、DIR-、PUL-全部连接到控制器的GND（低电平），其他信号端（EN+， DIR+， PUL+）由控制器给出高电平信号。
- 共阳极接法：将EN-、DIR-、PUL-全部连接到控制器的VCC（高电平），其他信号端由控制器给出低电平信号。
本例采用共阴极接法。
请注意：驱动器输入电压范围为直流9-42V，推荐使用24V。务必不要将电源V+和V-接反，否则会损坏驱动器。
对于步进电机的四根线（A+， A-， B+， B-），无需纠结具体相序。电机内部结构决定了相序接错仅会影响初始旋转方向。有一个简单的判别方法：任取两根线短接，然后手动旋转电机转轴，如果感觉到明显阻力，则说明这两根线属于同一相，可暂定为A相或B相。
控制器接线
控制器（STM32）的接线非常灵活，取决于程序中GPIO引脚的配置。例如，若设置PB3为脉冲输出引脚，PB4为方向控制引脚，则只需将驱动器的PUL+接至PB3，DIR+接至PB4即可。关于STM32的GPIO配置与操作，是嵌入式开发的基础，需要熟练掌握。
代码编写思路
下面进入关键的代码实现部分。核心思想是通过GPIO引脚模拟产生PWM脉冲序列，从而控制步进电机的步进与速度。
主要代码示例如下：
Motor.c
#include "Motor.h"
#include "Delay.h"
#include "led.h"
#define TotalPulses 1600 // 设置步进电机为8细分，旋转一圈需要1600个脉冲
// Motor 初始化配置
void Motor_Init(void)
{
// 开启GPIOB时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
// 配置GPIO引脚参数
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; // 输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; // 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4; // 使用PB3（脉冲）和PB4（方向）
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN; // 下拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 速度50MHz
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
// 设置引脚初始状态为高电平
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4);
}
// 电机启动与控制函数
void Motor_Start(void)
{
LED_BLUE_OFF; // 蓝色指示灯状态变化，用于视觉提示
LED_RED_ON;
Delay_ms(1000);
// 设定方向（例如正向）
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_4);
// 模拟PWM输出，控制电机旋转
for(int i = 0; i < TotalPulses * 2; i++)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_3); // 产生一个脉冲高电平
Delay_us(500); // 延时决定了脉冲宽度和频率，从而控制速度
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_3); // 拉低，完成一个脉冲
Delay_us(500);
}
LED_BLUE_ON;
LED_RED_OFF;
Delay_ms(1000);
// 改变方向（反向）
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_4);
for(int i = 0; i < TotalPulses * 2; i++)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_3);
Delay_us(500);
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_3);
Delay_us(500);
}
}
这段代码完成了GPIO的初始化，并定义了一个电机控制函数。在函数中，通过循环和延时来模拟产生固定频率的方波（即脉冲），Delay_us(500)的参数决定了脉冲周期，从而控制了电机的转速。这种通过延时生成波形的方法，其原理与在前端开发中使用JavaScript定时器控制动画帧率有相似之处，都是对时序的精确管理。
Main.c
#include "stm32f4xx.h"
#include "led.h"
#include "Delay.h"
#include "usart.h"
#include "Motor.h"
// 程序入口主函数
int main(void)
{
USART1_Init(115200); // 初始化串口，可用于调试
Led_Init(); // LED初始化
Motor_Init(); // 电机控制引脚初始化
while (1) // 主循环
{
Motor_Start(); // 执行电机控制
}
}
实操效果展示
通过修改Motor_Start()函数中Delay_us()的参数，可以轻松调节电机的转速。本质上这是改变了模拟PWM波的频率，频率越高，电机旋转越快。
本文介绍了基于STM32标准库和TB6600驱动器控制42步进电机的完整流程，从原理、接线到代码实现。掌握这种方法后，可以进一步扩展到更复杂的运动控制场景，例如结合嵌入式系统中的定时器实现精准PWM输出，以解放CPU资源并提高控制精度。
发表于 5 天前
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