ESP32步进电机控制实战：从原理到代码实现

步进电机：精确控制的理想选择

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构，其最大特点是能够精确控制旋转角度和速度，非常适合需要精确定位的应用场景。与普通直流电机相比，步进电机无需编码器即可实现开环精确控制，在3D打印、机器人、自动化设备中有着广泛应用。

步进电机工作原理

基本结构

步进电机主要由定子和转子组成，定子上绕有多个线圈（称为相），通过按特定顺序给线圈通电，产生旋转磁场驱动转子转动。

工作方式

步进电机通过改变定子线圈的通电顺序实现转动，常见工作模式有：

1. 单四拍模式：线圈按A→B→C→D顺序通电，每步转动11.25°，一圈需32步
2. 双四拍模式：线圈按AB→BC→CD→DA顺序通电，每步转动11.25°，扭矩比单拍大
3. 八拍模式：线圈按A→AB→B→BC→C→CD→D→DA顺序通电，每步转动5.625°，精度更高

驱动电路设计

ULN2003驱动芯片

由于ESP32 GPIO引脚输出电流较小，无法直接驱动步进电机，需使用驱动芯片ULN2003：

ULN2003是一款高电压大电流达林顿晶体管阵列，具有以下特点：

• 7路反向器输出，每路最大输出电流500mA
• 内置续流二极管，适合驱动感性负载
• 输入兼容TTL/CMOS电平，可直接与ESP32连接

电路连接

步进电机、ULN2003与ESP32的连接方式如下：

ESP32 GPIO	ULN2003输入	电机线圈
GPIO15	IN1	A相
GPIO2	IN2	B相
GPIO4	IN3	C相
GPIO16	IN4	D相

注意：ULN2003需外接5V电源，电机电源与控制板电源共地。

ESP32控制代码实现

单四拍模式控制代码

from machine import Pin
import time

# 初始化控制引脚
IN1 = Pin(15, Pin.OUT)
IN2 = Pin(2, Pin.OUT)
IN3 = Pin(4, Pin.OUT)
IN4 = Pin(16, Pin.OUT)

# 定义单四拍相序
STEP_SEQUENCE = [
    [1, 0, 0, 0],  # A相
    [0, 1, 0, 0],  # B相
    [0, 0, 1, 0],  # C相
    [0, 0, 0, 1]   # D相
]

# 初始化所有引脚为低电平
def reset_pins():
    IN1.value(0)
    IN2.value(0)
    IN3.value(0)
    IN4.value(0)

reset_pins()
delay_time = 2  # 延迟时间(ms)，控制转速

while True:
    # 按顺序给各相通电
    for step in STEP_SEQUENCE:
        IN1.value(step[0])
        IN2.value(step[1])
        IN3.value(step[2])
        IN4.value(step[3])
        time.sleep_ms(delay_time)

代码解析

1. 引脚初始化：将4个GPIO引脚配置为输出模式，分别连接ULN2003的IN1-IN4
2. 相序定义：STEP_SEQUENCE数组定义了单四拍模式的通电顺序
3. 循环控制：通过遍历相序数组，依次给各相线圈通电，实现电机连续转动
4. 转速调节：修改delay_time值可改变电机转速，值越小转速越快

项目扩展建议

1. 精确角度控制：

   # 转动指定角度(单四拍模式)
   def rotate_degrees(degrees):
       steps = int(degrees / 11.25)  # 计算所需步数
       for _ in range(steps):
           for step in STEP_SEQUENCE:
               # 设置引脚状态
               time.sleep_ms(delay_time)
   

2. 方向控制：通过反转相序数组实现正反转

   # 反转相序实现逆时针转动
   for step in reversed(STEP_SEQUENCE):
       # 设置引脚状态
   

3. 速度控制：实现加减速功能，避免启动时电流过大

获取完整教程

本项目的详细实现步骤和代码优化技巧可以参考官方教程：ESP32步进电机控制详解