步進電機是將脈沖信號轉換成機械運動的一種特殊電機。步進電機在使用時不需要額外的反饋，這是因為除非失步，否則步進電機每次轉動時的角度已知的，由于它的角度位置已知就能精確控制電機運動的位置。一般我們會用 Arduino 驅動的小型步進電機有以下兩種。

步進電機內部實際上產(chǎn)生了一個可以旋轉的磁場，如圖所示，當旋轉磁場依次切換時，轉子（rotor）就會隨之轉動相應的角度。當磁場旋轉過快或者轉子上所帶負載的轉動慣量太大時，轉子無法跟上步伐，就會造成失步。

從步進電機的矩頻特性圖上可知，步進電機以越快的速度運行，所能輸出的轉矩越小，否則將會造成失步。每種不同規(guī)格的步進電機都有類似的矩頻特性曲線，詳細圖表需要查閱其規(guī)格書。

矩頻特性

步進電機的磁極數(shù)量規(guī)格和接線規(guī)格很多，為簡化問題，我們這里就先只以四相步進電機為例進行討論。所謂四相，就是說電機內部有 4 對磁極，此外還有一個公共端（COM）接電源， ABCD 是四線的接頭。而四相電機的可以向外引出六條接線（兩條 COM 共同接入 Vcc），即 GND 和 ABCD，也可以引出五條線，如圖所示，所以有成為六線四相制和五線四相制。

一相勵磁方式

下表中 1 表示高電平、0 表示低電平，我們以下述最簡單的一相勵磁方式來驅動步進電機。

這種方式，電機在每個瞬間只有一個線圈導通，消耗電力小但在切換瞬間沒有任何的電磁作用轉子上，容易造成振動，也容易因為慣性而失步。

二相勵磁方式

這種方式輸出的轉矩較大且振動較少，切換過程中至少有一個線圈通電作用于轉子，使得輸出的轉矩較大，振動較小，也比一相勵磁較為平穩(wěn)，不易失步。

步進角是步進電機每前進一個步序所轉過的角度。在不超載也不失步的情況下，給電機加上一個脈沖信號，它就轉過一個步距角。這一簡單的線性關系，使得步進電機速度和位置的控制變得十分簡單。

一二相勵磁方式

綜合上述兩種驅動信號，下面提出一相勵磁和二相勵磁交替進行的方式，沒傳送一個勵磁信號，步進電機前進半個步距角。其特點是分辨率高，運轉更加平滑。

下面是這三種驅動方式的時序波形圖

驅動問題

因為數(shù)字 I/O 口電流較小。因此，我們想到了使用晶體管進行放大。常用的方法有三種：

1. 直接利用晶體管來驅動，這需要你對電機和晶體管的詳細參數(shù)有一定了解，才能選擇恰當?shù)膮?shù)去匹配他們。此外，還必須使用二極管來處理當電機內部線圈產(chǎn)生感應電動勢逆向流入晶體管而對晶體管造成損害。

2. 使用諸如 ULN2003 和 ULN2803 這樣的激勵器，它實際是內部集成好了放大功能的集成電路芯片，此外也無需額外添加二極管，因為它已經(jīng)內置了。

3. 使用光耦，在驅動芯片或者晶體管的前端再加入光耦合器，以加強隔離步進電機的反電動勢，以免損害單片機。

4. 使用 L293D 這樣的 H 橋的方式來驅動步進電機，詳細請參考上兩節(jié)介紹的 L293 Motor Sheild 官網(wǎng)的說明。

我們以 ULN2003 為例，現(xiàn)有的驅動板可以用來驅動步進電機，我們只需要選擇單片機的四個輸出端口用杜邦線分別連接驅動板的 IN1、IN2、IN3、IN4，再用外置電源連接驅動板的 5-12V+接口，并把電源和單片機的地（GND）與驅動板的（–）共線即可。

ULN2003 采用的是達林頓管（Darlington transistor）方式來增強對大電流負載（如步進電機）的驅動，所謂達林頓管其實就是二級放大的三極管而已（如右圖所示），經(jīng)過恰當?shù)娜龢O管型號選擇匹配后，兩次放大的三極管驅動能力比一個三極管更強。詳情請參考 ULN2003 的 DataSheet。但無論哪種方式，記住，使用額外的外接電源來驅動晶體管和集成芯片，它才是電機的真正的能量提供者。

關于實際的步距角

前面所講述的其實是一個簡化模型，真正的步進電機步距角比較小。因為采用了圖所示的多齒結構，這種結構類似于游標卡尺的工作原理，所以實際 4 相步進電機的步距角并非 360°/8 = 45°。根據(jù)其規(guī)格書，本節(jié)范例所用的步進電機的步距角是 5.625°，如果采用一–二相勵磁方式，則可以達到其一半的分辨率。