樹莓派用 Python 控制步進馬達：接線、程式與常見問題

這篇是樹莓派步進馬達控制的實作筆記。完整程式碼在 GitHub。

驗證狀態：程式以模擬測試驗證；接線表依驅動板與樹莓派腳位規格整理，尚未實機測試。實機測過後會更新這篇。

先選驅動方式

樹莓派的 GPIO 電流很小，不能直接接馬達，中間一定要有驅動板。常見兩種：

	ULN2003 ＋ 28BYJ-48	A4988／TMC2209 ＋ NEMA17
價格	很便宜，常整組賣	較高
扭力	小，有減速齒輪	大
轉速	慢，約 10～15 rpm 以內	快
控制線	4 條（IN1～IN4）	2～3 條（STEP、DIR、EN）
適合	展示、輕負載、學習	滑軌、治具、需要力量的機構

接線

ULN2003 ＋ 28BYJ-48

ULN2003 板	樹莓派
IN1～IN4	GPIO17、18、27、22（實體 pin 11、12、13、15）
＋	外接 5V
−	外接電源負極，並接樹莓派 GND

A4988／TMC2209 ＋ 步進馬達

驅動器	樹莓派
STEP	GPIO20（pin 38）
DIR	GPIO21（pin 40）
EN	GPIO16（pin 36），低電位啟用
VDD／GND（邏輯）	3.3V（pin 1）／GND
VMOT（馬達電源）	外接，依馬達與驅動器規格

兩種接法都要共地：馬達電源的負極要和樹莓派 GND 接在一起，否則訊號沒有共同的參考電位，馬達會亂抖或不動。

程式的核心

ULN2003：照序列輪流通電

28BYJ-48 有四組線圈，依順序通電就會轉。半步序列共 8 個狀態，往前走就是正轉，往回走就是反轉：

HALF_STEP_SEQUENCE = (
    (1, 0, 0, 0), (1, 1, 0, 0), (0, 1, 0, 0), (0, 1, 1, 0),
    (0, 0, 1, 0), (0, 0, 1, 1), (0, 0, 0, 1), (1, 0, 0, 1),
)

def step(self, direction):
    self.index = (self.index + direction) % 8
    for out, value in zip(self.outputs, HALF_STEP_SEQUENCE[self.index]):
        out.value = value

STEP／DIR：方向一條線，脈衝一條線

驅動器把線圈時序都處理掉了，程式只要設定方向，再送一個脈衝就走一步：

def step(self, direction):
    self.dir_out.value = 1 if direction == CW else 0
    self.step_out.value = 1
    time.sleep(5e-6)
    self.step_out.value = 0

轉速怎麼換算

每一步之間要等多久，由轉速和「一圈幾步」決定：

每步間隔（秒） = 60 ÷ (rpm × 一圈步數)

例如 1.8° 馬達一圈 200 步，60 rpm 就是每步 5 毫秒。

一圈到底幾步

• 28BYJ-48 半步：約 4096 步。不同批次的減速比略有差異，要精準定位請自己轉十圈量一下。
• 1.8° 步進馬達：整步 200 步；驅動器設成 16 微步就是 3200 步。程式裡的 --steps-per-rev 要跟驅動器設定一致，不然角度會不準。

常見問題

馬達只抖不轉 多半是線序錯，或轉速太快。28BYJ-48 先把轉速降到 5 rpm 試；STEP／DIR 驅動器檢查馬達兩組線圈有沒有接對（同一組線圈的兩條線，量起來電阻很小）。

轉一轉會失步、位置跑掉 負載太重或轉速太快。先降速；要快又要穩，就需要加減速曲線，或換扭力更大的馬達。

馬達很燙 停著的時候線圈還一直通電。程式預設結束會放開線圈（release()）；如果你需要停著也保持出力，再加 --hold。A4988、TMC2209 這類驅動器也要先把電流限制調到馬達的額定值。

換了樹莓派 5 就不能用 Pi 5 的 GPIO 架構改了，舊的 RPi.GPIO 套件不支援。這份程式用的是 gpiozero，Raspberry Pi OS 內建，Pi 5 也能用。

不接硬體先測

程式裡有 Mock 模式和 11 個自動測試，可以先在電腦上確認邏輯：

python3 cli.py --driver mock --turns 1
python3 -m unittest -v

這種程式的極限

Python 在 Linux 上用 time.sleep 控制節奏，一般的正反轉、定位都夠用；但作業系統排程會造成微小的時間抖動，需要高轉速、非常平順的運動，或多軸精準同步，就該改用硬體 PWM、pigpio，或交給專用的運動控制板。

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