芯耀
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歡迎來到芯片之家的步進電機科普系列！在這個系列中，我們將深入探討步進電機的基本原理、硬件設(shè)計、軟件控制，并最終通過一個實際的PD（Power Delivery）步進電機控制方案來展示其應用。我們還將開源所有相關(guān)的資料，包括電路圖、PCB設(shè)計、軟件代碼等，讓大家可以動手實踐，真正掌握步進電機的精髓。
步進電機因其精準的位置控制和易于驅(qū)動的特性，廣泛應用于打印機、CNC機床、機器人等領(lǐng)域。無論您是初學者還是有一定經(jīng)驗的工程師，這個系列都將為您提供有價值的知識和實踐指導。
什么是步進電機？
步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制電機。通過控制脈沖的數(shù)量和頻率，可以精確地控制電機的轉(zhuǎn)動角度和速度。步進電機的轉(zhuǎn)動是“步進式”的，即每接收一個脈沖，電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這個角度稱為“步進角”。
關(guān)于原理，老宇哥看了一圈后，網(wǎng)絡上有個非常棒的視頻，詳細介紹了步進電機的驅(qū)動原理，動畫都做的非常不錯，咱沒必要重復造輪子，看一次夠，每看一遍后，都會有一些新的理解。視頻來自B站UP主方貓boom看完這個視頻，我相信對步進電機的原理都比較了解了。就像方貓大佬說的，我們常用的步進電機有42步進電機和28BYJ步進電機兩種，其它都大同小異，本項目我們使用42步進電機，28BYJ步進電機的驅(qū)動我們后面單獨介紹驅(qū)動案例。
42步進電機就是4線接口，A+，A-，B+，B-，一共4根線，一般在使用的時候，會配一個專用的步進電機驅(qū)動器，然后再通過主控去控制，大概就是這樣子：
這種驅(qū)動盒子比較大，也比較工業(yè)風，能不能設(shè)計一種小小的，不占地方的驅(qū)動呢，最好能固定到電機上，跟電機長寬一樣，最好也能集成MCU等等。
還真有一個這樣的項目，此項目將驅(qū)動設(shè)計的跟步進電機一樣大小，板載ESP32-S3 WiFi模塊，步進電機專用驅(qū)動芯片，還用了USB PD，這樣留一個TYPE- C口就可以獲得50W的功率。
步進電機很多時候都是開環(huán)控制，這次還加上了磁旋轉(zhuǎn)編碼器，可以做閉環(huán)控制。成品就是這樣：
我們大概看一下原理圖，
1、主控用ESP32-S3，提供充足的處理能力、內(nèi)置 Wi-Fi 和藍牙連接，以及豐富的開發(fā)工具和庫生態(tài)系統(tǒng)，可輕松定制和擴展，例如ESPHome和ESPNow，外圍加了一個NTC做AD采集做過溫保護。
2、步進電機驅(qū)動器用TMC2209，該驅(qū)動器以其靜音運行、高精度以及 stealthChop?、spreadCycle? 和無傳感器歸位等先進功能而聞名，確保平穩(wěn)、安靜和高效的電機控制。
3、磁旋轉(zhuǎn)位置傳感器用AS5600，實現(xiàn)精確可靠的絕對角度測量，實現(xiàn)步進電機的精確定位和閉環(huán)控制。
4、USB PD用CH224K進行誘騙，可以用USB接口提供高功率的供電，不用那些常規(guī)的笨重電源適配器，USB PD 與 TMC2209 一起可以驅(qū)動功率高達50W 的步進電機，CH224K我們單獨一節(jié)專門介紹。
5、DCDC采用MPS的MPM3612-33，是同步整流降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置內(nèi)部功率mosfet和高輕負載效率，采用 LGA-10（3mm x 3mm x 2mm）封裝，提供非常小的解決方案，能夠輸出 1A 的持續(xù)電流，同時在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持出色的負載和線路調(diào)節(jié)，主要還是是板子空間實在太小了，外圍少量電容電阻就可以了。
6、周邊有3個按鍵，標準 Qwiic / Stemma QT I2C 連接器（4 針 JST SH）意味著可以連接可用于控制的各種傳感器。
PCB采用4層板，設(shè)計的非常非常緊湊，封裝都是用的最小的，WiFi模塊都是貼片腳不外漏的封裝，這么小的空間，用常規(guī)PCB工藝，板子從布局到Layout都要花費不少時間，后續(xù)如果還想在板子上增加一些芯片實現(xiàn)一些功能，那肯定是沒空間了。
因為現(xiàn)在用的都是普通過孔，走線轉(zhuǎn)到其它層的時候得從焊盤拉出來再打過孔，確實需要額外占用挺多空間，其實可以直接在焊盤上打過孔，直接把線轉(zhuǎn)到其它層，這不是爽歪歪嘛，特別是轉(zhuǎn)到GND層或者VCC層的時候，能節(jié)省太多空間。
以前老師教我們不要在焊盤上打過孔，這都是過去式了，我們經(jīng)常打板的嘉立創(chuàng)，4層板單獨做盤中孔是要收費的，但6層板可以免費做盤中孔和升級2u"沉金工藝，而且，在初期項目驗證的時候，6層板比4層板可以更快速的畫完，再加上他們有6層板免費打樣，特別適合做項目初期的原型功能驗證，沒試過的小伙伴可以打板試一下。
硬件篇大概就介紹到這里，后面我們會針對某些元器件做深入分析以及軟件驅(qū)動部分，請大家持續(xù)關(guān)注。原項目地址：https://github.com/joshr120/PD-Stepper
