——South China FAE Skylar Li

低压小功率的步进电机被广泛用于家电领域，为了控制此类电机，我们通常使用达林顿晶体管来实现对其的驱动。TI的ULN2003A达林顿晶体管不仅成本低而且设计简单，在家电行业里广受好评。

ULN2003A达林顿晶体管是一个 "开关阵列"，控制逻辑由 MCU 产生，它本身不产生控制信号，作用是：放大 MCU 的控制信号、电流驱动电机线圈，从而将低电平信号驱动较高电压/电流的负载。ULN2003A内部有7个通道，单个通道输出额定为500mA的集电极电流，以下为单个通道达林顿晶体管的内部框图。

每个达林顿晶体管对都串联了一个2.7kΩ的基极电阻，这种设计使得ULN2003A能够在5V的工作电压下直接与TTL和CMOS电路连接，无需额外的逻辑缓冲器。MCU发送控制信号给ULN2003A的输入端口，当输入信号为高电平时，相应的输出通道会导通，允许电流流过，输出端口上的电压接近电源电压，从而驱动负载工作。四相八拍步进电机常用来作为负载。

四相八拍（Half-Step）是步进电机的一种驱动方式，特点如下所示：

• 电机有4个相位（A、B、C、D）;
• 控制时通过特定的 8 步激励序列，逐步切换线圈导通;
• 每走8步，电机转动一个完整的"电气周期";

由此，ULN2003A连接四相八拍步进电机的示意图如下所示：

四相八拍步进电机采用单相励磁（1相通电）和双相励磁（2相通电）交替进行的控制策略，来实现更精细的步距角控制，控制逻辑如以下表格（1 表示通电，0 表示不通）：

这个激励顺序不断循环，电机会按设定的方向、速度进行旋转，如下图电机转动方向，反转时，控制时序倒过来控制即可。

同时，四相八拍步进电机的A、B、C、D相的输入波形如下图所示，单相双相交替导通，有序运行。

然而，在实际驱动步进电机时，可能因为电机功率较大需要更高的电流，单颗ULN2003A可能无法可靠驱动，就需要用到两颗ULN2003A芯片一起并联驱动。常见的方法是把A、B两相接其中一个ULN2003A，C、D两相接另一个ULN2003A，但是这样会造成一些隐患。我们从图三和图四可以看到，以A相和B相为例，当这两相同时通电时，转子转向45°，AB相存在交叠导通的状态如下图。

如果A相和B相由同一个ULN2003A驱动，在双相励磁（如A+B）时，芯片需要同时提供两倍的电流（如500mA×2=1A），可能超出芯片的总电流承受能力，导致过热损坏或者驱动能力下降（输出电压降低，步进电机转矩不足）。同时，如果A相和B相同时导通时，可能会因为芯片内部电路限制导致电流分配不均，影响电机运行平滑性。从下图6驱动电流和占空比的关系可以看出，当环境温度为70°C的时候，N=1和N=2在相同的占空比的情况下，ULN2003A支持的最大驱动电流不一样，所以在仅A相导通和A相与B相同时导通的时候驱动电流有可能会分配不均，进而导致芯片发热甚至影响电机运行。所以，A相和B相不适合同时由一个ULN2003A驱动。

进而从图三来看，步进电机的A相和C相是错相的(相位差180°)，它们是同一绕组的互补端，磁场方向相反，并且不能同时导通，同时导通会导致磁场抵消或短路。因此，倘若将步进电机的A相和C相同时连到同一ULN2003A上，那么工作时A相和C相分开导通，就不会超过ULN2003A的电流承受能力，并且不会存在A相断电，C相导通或者A相导通，C相断电的瞬间，可以减少相互干扰。当然，B相和D相也同理。

综上所述，正确方式应该如下图所示：

图示中两颗ULN2003A分别接电机A、C相和B、D相，这样两相不会同时由同一ULN2003A驱动, 这种分组方式可以分担功率损耗，改善散热，可确保电机运行稳定、高效，同时保护驱动芯片。

以上总结了ULN2003A的特点，以及使用TI的ULN2O03A如何控7制步进电机的方法。当然，鉴于ULN2003A自身的特点，它不仅可以用在步进电机的驱动上还可以驱动继电器，灯和显示屏以及用作逻辑缓冲器，更多的使用场景值得我们发现和探索。