📖 第 15 章：步进电机（Stepper Motor）
15.1 步进电机与三大分类
步进电机把电脉冲直接变成角位移：脉冲数 → 角度，脉冲频率 → 转速。开环就能精确定位，数控机床、3D 打印机都用它。
| 类型 | 特点 | 短板 |
|---|---|---|
| 反应式（磁阻式） | 结构简单，步距角可小至 1.2° | 噪声震动大 |
| 永磁式 | 动态性能好、力矩大 | 步距角大（7.5° 或 15°） |
| 混合式 | 兼顾两者优点，应用最广 | —— |
按绕组极性又分单极性（有中心抽头、电流单向，驱动简单但力矩小）与双极性（电流可反向，需 H 桥，力矩大）。
15.2 工作原理：整步、半步与细分
定子是 A/B 两相绕组，转子是永磁体。通电顺序决定转子停的角度：
- 单极性整步（单相激励）：A→B→C→D 轮流通电，每步 90°；
- 双相激励：AB→BC→CD→DA，两相同时通电，力矩更大；
- 半步：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA 八拍，每步 45°，更顺滑；
- 双极性：用 H 桥改变电流方向（A+ 接正 → A+ 接负），同样实现整步/半步/八拍。
15.3 指标参数与驱动器 ATK-2MD5050
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| 相数 / 拍数 | 两相电机步距角 1.8°；四相四拍 AB-BC-CD-DA、四相八拍 |
| 步距角精度 | 误差 ÷ 步距角 × 100% |
| 定位转矩 | 不通电时转子被「锁住」的力矩 |
| 失步 / 失调角 | 负载过大或频率过快导致丢步；细分不能消除失调角 |
驱动器 ATK-2MD5050：12~50VDC 供电、峰值电流 5.0A、最大 256 细分、双极恒流 PWM 驱动、光耦隔离。接口三根线：ENA（脱机）、DIR（方向）、PUL（脉冲，≤200kHz）。细分拨码 SW1~SW4：8 细分 1600 脉冲/圈；电流拨码 SW5~SW8（SW8=ON 半流减半），实验统一设 8 细分、1.0A。42 电机引脚：1 脚 A+、3 脚 A−、4 脚 B−、6 脚 B+。
15.4 旋转控制实现
4 路接口：脉冲 TIM8_CH1~4（PI5/PI6/PI7/PC9）、方向 DIR（PF14/PF12/PB2/PH2）、使能 EN（PF15/PF13/PF11/PH3），与驱动器共阳接法（x=1 有效）。定时器 stepper_init(1000-1, 168-1) → 1MHz 计数、1ms 周期（初始 1kHz 脉冲，太快会丢步堵转）。
两种发脉冲方式：PWM 模式直接 Start/Stop；输出比较翻转模式在中断里改比较值持续翻转（两次中断 = 一个完整脉冲）。脉冲计数停机逻辑：
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM8) {
g_run_flag = 1;
g_stepper.pulse_count--; /* 每个完整脉冲计数值-- */
if (g_stepper.dir == CW)
g_stepper.add_pulse_count++; /* 绝对位置++ */
else
g_stepper.add_pulse_count--; /* 绝对位置-- */
if (g_stepper.pulse_count <= 0) { /* 脉冲发完即到位 */
stepper_stop(STEPPER_MOTOR_1);
g_run_flag = 0;
}
}
}实验：KEY0 选接口 ID、KEY1 开启旋转、KEY2 关闭。接线顺序口诀：先控制线、再动力线、最后驱动器电源。
15.5 定位控制实现
1.8° 电机 8 细分：每步 1.8° ÷ 8 = 0.225°，一圈 360 ÷ 0.225 = 1600 脉冲（PULSE_REV=1600.0、MAX_STEP_ANGLE=0.225）。角度转脉冲：
void stepper_set_angle(uint16_t angle, uint8_t dir, uint8_t motor_num)
{
g_stepper.pulse_count = angle / MAX_STEP_ANGLE; /* 角度 ÷ 0.225° */
if (g_stepper.pulse_count == 0)
stepper_stop(motor_num); /* 0° 则不动 */
else
stepper_star(motor_num, dir); /* 启动旋转 */
}实验：KEY0 正向 +90°、KEY1 反向 +90°、KEY2 启动。按两次 KEY0 再按 KEY2，电机顺时针转 180° 后稳稳停下，串口打印累计角度（累计脉冲数 × 0.225°）。