树莓派驱动步进电机

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本文依照记忆，于 2020 年末写成原稿；约一年后，参照代码，重新整理。年代久远，未经测试，仅供参考。

在参加 2020 年的 RoboGame 比赛时，我用树莓派控制步进电机，效果不错。关于这方面，网上没有太详细的资料，所以记录一下我的经验。代码不多，还没有整理： RoboGame2020

硬件与软件的选择

树莓派

咳咳，当然是因为我不会别的（手动狗头）

我们小组避开了竞争激烈的竞技组（听名字就感觉很卷），报名了比较划水的展示组。展示组的内容对实时性要求不高，只要完成动作就行，因此树莓派的软件 PWM 就能满足精度需要，否则需要外接时钟。花的是项目经费，所以毫不吝惜，买了个 8 GB 内存的 4B （当时还没有涨价）。另外，树莓派的生态也不错，外接触摸屏、键鼠，直接在上面跑 VSCode ，写 Python 和 网页完全不成问题。

RPi.GPIO

网上很多教程都是关于 RPi.GPIO 的，功能比较丰富；官方教程中提到了 gpiozero 库，对按钮、LED 灯之类有不错的支持，但是难以实现 PWM 一类的高级功能.所以就选择了 RPi.GPIO。虽然文档中有包括 PWM 在内的若干示例，但并不是很详细，网上相关的代码也大多很简单。

引脚编号相关问题

RPi.GPIO 支持两种引脚编号方式：BOARD 与 BCM。BOARD 根据引脚的位置编号，不会随型号升级而改变，比较推荐。

（然而我为什么会匪夷所思地用了 BCM 编码呢？）因为我从网上买了一个带风扇的外壳，外壳延长了引脚，还在上面按照 BCM 编码进行了标注，找起来特别容易。所以要问卖散热外壳的淘宝商家啦～

树莓派 GPIO 引脚编号图示

另外，一定要注意引脚编号是否合法。一次写错了引脚编号，启动程序后，不仅电机不转，WiFi 竟然也受到了影响，直接断网了，吓我一跳，我当时还以为树莓派坏了。

PWM 相关问题

PWM 模块用起来有许多坑，记录如下：

基本用法

如果只想在脚本中用一下 PWM 功能，并无大碍：

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import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

port = 8
duty_cycle = 50
freq = 50
working_time = 3

GPIO.setup(port, GPIO.OUT)
p = GPIO.PWM(port, freq)

p.start(duty_cycle)
sleep(working_time)
p.stop()

GPIO.cleanup()

上述代码在 8 号端口上，产生一个频率 、占空比 、持续 秒的 PWM 信号。注意占空比的范围是 。

一般步进电机有配套的控制板，供电单独连接，树莓派只用给出控制信号。一般控制信号要求输入电压为 5 V，但是树莓派的输出只有 3.3 V，需要进行升压。对于步进电机来说，输出信号占空比似乎不是很重要，只要频率对就行；但如果是那种依据占空比调整角度的舵机，则需要控制占空比在舵机输入信号的有效范围内。

好了，电机已经转起来了，是不是很简单呢？如果你想要控制电机继续进行一系列复杂的操作，那么，坑就来了……

多次调用

你可能会想，这有什么难的，直接把上面这段代码封装成函数，每次调用一下，不就成了？于是你迫不及待地写了这样的代码：

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def step_motor(port, duty_cycle, freq, working_time):
    GPIO.setup(port, GPIO.OUT)
    p = GPIO.PWM(port, freq)

    p.start(duty_cycle)
    sleep(working_time)
    p.stop()

然后兴高采烈地调用它。比如下面这个例子，转两秒，歇两秒，再转四秒：

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step_motor(8, 5, 50, 2)
sleep(2)
step_motor(8, 5, 50, 4)

Bingo~ 报错啦！恭喜你遇到了第一个坑！

在同一个端口上，不能多次调用 GPIO.PWM，否则代码就会报错。比如这样是不行的：

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p = GPIO.PWM(8, 40)
q = GPIO.PWM(8, 40)

解决方法是：记住第一次调用的时候返回的 PWM 对象。如果要修改频率或者占空比，可以分别使用 p.ChangeFrequency(freq) 和 p.ChangeDutyCycle(dc)。

频率设置

有了上面的经验，我们就可以这样写：

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p = GPIO.PWM(8, 40)

p.ChangeFrequency(60)

p.start(50)
sleep(3)
p.stop()

sleep(5)

p.start(50)
sleep(3)
p.stop()

这段代码的意思非常浅显易懂，是以 的频率转两次。

程序一运行，结果却令人大跌眼镜：电机第二次转动时，频率竟然不是 ！

所以，每次在 p.stop() 之后，不管前后两次的频率是否一样，一定要重新设置一次频率。

转动指定角度

如果用时间来控制步进电机的运动，无法得到精确的角度，我们需要控制脉冲信号的个数。步进电机在收到每个脉冲信号之后，都会旋转相应的角度（也就是所谓步进角）。如果我们发出固定数量的脉冲信号，步进电机转动的角度就大致是精准的。

我们用旋转的角度除以步进角，得到周期数：

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for _ in range(cycle):
    GPIO.output(port, GPIO.LOW)
    sleep(half_cycle_time)
    GPIO.output(port, GPIO.HIGH)
    sleep(half_cycle_time)

后记

搭好了博客，终于把这篇整理出来了。不禁回忆起 2020 年的那场 RoboGame，和三位小伙伴在那间小屋里的快乐时光。

  1. 树莓派 4B 发热较大，买了有风扇的保护壳，通电后非常炫酷。
  2. 尝试连线，写程序控制电机。本文中大部分结论都是在这个阶段得出的。
  3. 队友制作的电路。松散的连线方便调试，也埋下了隐患。