步进电机的基本原理和硬件设计

来源：芯片之家

欢迎来到芯片之家的步进电机科普系列!在这个系列中，我们将深入探讨步进电机的基本原理、硬件设计、软件控制，并最终通过一个实际的PD(Power Delivery)步进电机控制方案来展示其应用。我们还将开源所有相关的资料，包括电路图、PCB设计、软件代码等，让大家可以动手实践，真正掌握步进电机的精髓。

步进电机因其精准的位置控制和易于驱动的特性，广泛应用于打印机、CNC机床、机器人等领域。无论您是初学者还是有一定经验的工程师，这个系列都将为您提供有价值的知识和实践指导。

什么是步进电机?

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制电机。通过控制脉冲的数量和频率，可以精确地控制电机的转动角度和速度。步进电机的转动是“步进式”的，即每接收一个脉冲，电机转子就转动一个固定的角度，这个角度称为“步进角”。

关于原理，老宇哥看了一圈后，网络上有个非常棒的视频，详细介绍了步进电机的驱动原理，动画都做的非常不错，咱没必要重复造轮子，看一次够，每看一遍后，都会有一些新的理解。

看完这个视频，我相信对步进电机的原理都比较了解了。

就像方猫大佬说的，我们常用的步进电机有42步进电机和28BYJ步进电机两种，其它都大同小异，本项目我们使用42步进电机，28BYJ步进电机的驱动我们后面单独介绍驱动案例。

42步进电机就是4线接口，A+，A-，B+，B-，一共4根线，一般在使用的时候，会配一个专用的步进电机驱动器，然后再通过主控去控制，大概就是这样子：

这种驱动盒子比较大，也比较工业风，能不能设计一种小小的，不占地方的驱动呢，最好能固定到电机上，跟电机长宽一样，最好也能集成MCU等等。

还真有一个这样的项目，此项目将驱动设计的跟步进电机一样大小，板载ESP32-S3 WiFi模块，步进电机专用驱动芯片，还用了USB PD，这样留一个TYPE- C口就可以获得50W的功率。

步进电机很多时候都是开环控制，这次还加上了磁旋转编码器，可以做闭环控制。

成品就是这样：我们大概看一下原理图，

1、主控用ESP32-S3，提供充足的处理能力、内置 Wi-Fi 和蓝牙连接，以及丰富的开发工具和库生态系统，可轻松定制和扩展，例如ESPHome和ESPNow，外围加了一个NTC做AD采集做过温保护。

2、步进电机驱动器用TMC2209，该驱动器以其静音运行、高精度以及 stealthChop、spreadCycle 和无传感器归位等先进功能而闻名，确保平稳、安静和高效的电机控制。

3、磁旋转位置传感器用AS5600，实现精确可靠的绝对角度测量，实现步进电机的精确定位和闭环控制。

4、USB PD用CH224K进行诱骗，可以用USB接口提供高功率的供电，不用那些常规的笨重电源适配器，USB PD 与 TMC2209 一起可以驱动功率高达50W 的步进电机，CH224K我们单独一节专门介绍。

5、DCDC采用MPS的MPM3612-33，是同步整流降压开关模式转换器，内置内部功率mosfet和高轻负载效率，采用 LGA-10(3mm x 3mm x 2mm)封装，提供非常小的解决方案，能够输出 1A 的持续电流，同时在宽输入电压范围内保持出色的负载和线路调节，主要还是是板子空间实在太小了，外围少量电容电阻就可以了。

6、周边有3个按键，标准 Qwiic / Stemma QT I2C 连接器(4 针 JST SH)意味着可以连接可用于控制的各种传感器。

PCB采用4层板，设计的非常非常紧凑，封装都是用的最小的，WiFi模块都是贴片脚不外漏的封装，这么小的空间，用常规PCB工艺，板子从布局到Layout都要花费不少时间，后续如果还想在板子上增加一些芯片实现一些功能，那肯定是没空间了。

因为现在用的都是普通过孔，走线转到其它层的时候得从焊盘拉出来再打过孔，确实需要额外占用挺多空间，其实可以直接在焊盘上打过孔，直接把线转到其它层，这不是爽歪歪嘛，特别是转到GND层或者VCC层的时候，能节省太多空间。

以前老师教我们不要在焊盘上打过孔，这都是过去式了，我们经常打板的嘉立创，4层板单独做盘中孔是要收费的，但6层板可以免费做盘中孔和升级2u"沉金工艺，而且，在初期项目验证的时候，6层板比4层板可以更快速的画完，再加上他们有6层板免费打样，特别适合做项目初期的原型功能验证，没试过的小伙伴可以打板试一下。

硬件篇大概就介绍到这里，后面我们会针对某些元器件做深入分析以及软件驱动部分，请大家持续关注。

原项目地址：https://github.com/joshr120/PD-Stepper