單片機直連電機，你這樣做過嗎？單片機和電機能不能直連呢？本期貿澤科普實驗室，我們就為大家來驗證了——

上面視頻里，實驗表明單片機是可以直連驅動電機的。

是不是意味著單片機能直接驅動所有的電機呢？

當然不是。

不知道大家注意到沒有，視頻里的電機是非常迷你的，與我們在其他電子產品里常見到的電機相比，在體格上有非常大的差距。

這個小電機的額定電壓是3.3V，額定電流4mA。想要讓它轉起來，首要條件就是單片機IO口的輸出電壓和電流要滿足電機的額定電壓和額定電流。

以STM32F103單片機為例，在輸出電壓特性表可以看到，STM32F103的I/O輸出高電平的電壓在VDD-0.4V至VDD，以3.3V供電的話，那么I/O口的高電平電壓在2.9V至3.3V之間。

圖源：STM32F10xxx參考手冊

而在STM32F103的輸出驅動電流說明表中，可以看到I/O輸出拉電流是8mA，輸出灌電流是25mA，流經芯片的總電流不得超過150mA。

圖源：STM32F10xxx參考手冊

這樣看來，STM32F103的IO口直連小電機，完全是沒問題的！但是，問題來了——

小電機，也就是直流有刷電機是感性設備，在電機運轉的過程中，會產生反電動勢，用示波器測量，供電使用3.3V的話，產生的反電動勢峰峰值達到了10V左右。這個反電動勢會全部加在單片機的I/O口上。

結合單片機的I/O結構來看，此時反電動勢全部由保護二極管消耗，一旦保護二極管損壞，單片機的I/O也會直接玩完。

所以，對于功率小的電機，雖然使用單片機I/O可以直接驅動，但用不了多長時間，單片機I/O就會損壞。而對于功率大的電機，單片機是無法直接驅動的。

那單片機應該如何正確的驅動電機呢？

不同的電機，驅動方式也是不同的，以我們常見的直流有刷電機、直流無刷電機、直流步進電機為例。

01

直流有刷電機的驅動

如果只是控制電機轉動速度，不控制電機旋轉方向，單片機+1個MOS管即可。單片機的的1個IO口，連接MOS管的G極，如下圖：

當MOS導通，電機旋轉，當MOS關斷，電機停轉，電機產生的反電動勢通過二極管D1消耗，起到保護電源的作用，當需要控制電機速度時，只需要單片機控制PWM的占空比就可以了。

如果既要控制方向，又要控制速度，就需要使用單片機+H橋。

單片機的4個IO口，即上圖的PWM1,2,3,4，分別連接H橋4個MOS管的G極。通過控制單片機IO口輸出電平，可以讓4個MOS按照一定的順序導通。當Q1和Q5導通，電機正轉，當Q2和Q4導通時，電機反轉。需要控制電機速度時，只需要單片機控制PWM信號的占空比就可以了。

02

直流無刷電機的驅動

直流無刷電機通常有2個重要組成部分，電機主體和驅動器。單個電機是無法運轉的，直流無刷電機的定子繞組會做成三相對稱星形接法，轉子通常由n對磁極的永磁體構成，根據轉子運轉形式，有可以分為內轉子和外轉子。

直流無刷電機的驅動分三種情況：

第一種，驅動器和電機集成的。要想直流無刷電機運轉，必須有驅動器。一些小型無刷電機，驅動器和電機是集成的，例如下面這種散熱風扇，我們在使用的時候只需要連接電源就可以運轉。

第二種，電子調速器，像無人機上常用的直流無刷電機，就需要外接電子調速器并且給控制信號才能工作。

第三種，使用閉環控制，通常在工業運動控制中使用，電機內部集成了3相霍爾傳感器，用來檢測轉子位置和轉速，同時，配套的驅動板也比較復雜，集成了很多信號采集和電機保護功能，可以控制直流無刷電機的轉速、轉矩、方向等。

03

步進電機的驅動

步進電機運轉必須有步進電機驅動器，而步進電機驅動器種類是很多，對于功率比較小的步進電機，就可以使用單片機，外加ULN2003或者MX1508來驅動，這種驅動比較繁瑣，每一相的脈沖信號時序都要自己去控制。

還有一種就是使用集成驅動芯片設計的步進電機驅動器，例如TB6600、A4988等驅動芯片，這類驅動器驅動功率大、使用簡單，控制只需提供速度、方向和使能信號，設定好驅動器參數，通過給定脈沖數量，就能使步進電機轉動對應角度。

此外還有一種情況是驅動和電機一體的步進電機，這類步進電機還集成了編碼器，一般應用在高精度的控制場合，這類步進電機可以通過串口通訊進行控制，也可以通過脈沖信號去控制。

關于電機驅動的問題，不是一篇文章就能說得完，由于篇幅有限，就介紹這么多了。總之，大家記住一點，單片機不能直接驅動電機，需要搭配合適的驅動電路才可以。