為什么單片機(jī)不能直接驅(qū)動電機(jī)

單片機(jī)直連電機(jī)，你這樣做過嗎？單片機(jī)和電機(jī)能不能直連呢？本期貿(mào)澤科普實(shí)驗(yàn)室，我們就為大家來驗(yàn)證了——

上面視頻里，實(shí)驗(yàn)表明單片機(jī)是可以直連驅(qū)動電機(jī)的。

是不是意味著單片機(jī)能直接驅(qū)動所有的電機(jī)呢？

當(dāng)然不是。

不知道大家注意到?jīng)]有，視頻里的電機(jī)是非常迷你的，與我們在其他電子產(chǎn)品里常見到的電機(jī)相比，在體格上有非常大的差距。

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

以STM32F103單片機(jī)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(qū)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(jīng)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(jī)，完全是沒問題的！但是，問題來了——

小電機(jī)，也就是直流有刷電機(jī)是感性設(shè)備，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，會產(chǎn)生反電動勢，用示波器測量，供電使用3.3V的話，產(chǎn)生的反電動勢峰峰值達(dá)到了10V左右。這個反電動勢會全部加在單片機(jī)的I/O口上。

結(jié)合單片機(jī)的I/O結(jié)構(gòu)來看，此時反電動勢全部由保護(hù)二極管消耗，一旦保護(hù)二極管損壞，單片機(jī)的I/O也會直接玩完。

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

那單片機(jī)應(yīng)該如何正確的驅(qū)動電機(jī)呢？

不同的電機(jī)，驅(qū)動方式也是不同的，以我們常見的直流有刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)、直流步進(jìn)電機(jī)為例。

01

直流有刷電機(jī)的驅(qū)動

如果只是控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，不控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，單片機(jī)+1個MOS管即可。單片機(jī)的的1個IO口，連接MOS管的G極，如下圖：

當(dāng)MOS導(dǎo)通，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)MOS關(guān)斷，電機(jī)停轉(zhuǎn)，電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢通過二極管D1消耗，起到保護(hù)電源的作用，當(dāng)需要控制電機(jī)速度時，只需要單片機(jī)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(jī)+H橋。

單片機(jī)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(jī)IO口輸出電平，可以讓4個MOS按照一定的順序?qū)ā．?dāng)Q1和Q5導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)Q2和Q4導(dǎo)通時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。需要控制電機(jī)速度時，只需要單片機(jī)控制PWM信號的占空比就可以了。

02

直流無刷電機(jī)的驅(qū)動

直流無刷電機(jī)通常有2個重要組成部分，電機(jī)主體和驅(qū)動器。單個電機(jī)是無法運(yùn)轉(zhuǎn)的，直流無刷電機(jī)的定子繞組會做成三相對稱星形接法，轉(zhuǎn)子通常由n對磁極的永磁體構(gòu)成，根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)形式，有可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。

直流無刷電機(jī)的驅(qū)動分三種情況：

第一種，驅(qū)動器和電機(jī)集成的。要想直流無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須有驅(qū)動器。一些小型無刷電機(jī)，驅(qū)動器和電機(jī)是集成的，例如下面這種散熱風(fēng)扇，我們在使用的時候只需要連接電源就可以運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

第三種，使用閉環(huán)控制，通常在工業(yè)運(yùn)動控制中使用，電機(jī)內(nèi)部集成了3相霍爾傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，同時，配套的驅(qū)動板也比較復(fù)雜，集成了很多信號采集和電機(jī)保護(hù)功能，可以控制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、方向等。

03

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器種類是很多，對于功率比較小的步進(jìn)電機(jī)，就可以使用單片機(jī)，外加ULN2003或者M(jìn)X1508來驅(qū)動，這種驅(qū)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(qū)動芯片設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，例如TB6600、A4988等驅(qū)動芯片，這類驅(qū)動器驅(qū)動功率大、使用簡單，控制只需提供速度、方向和使能信號，設(shè)定好驅(qū)動器參數(shù)，通過給定脈沖數(shù)量，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動對應(yīng)角度。

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

關(guān)于電機(jī)驅(qū)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?？傊蠹矣涀∫稽c(diǎn)，單片機(jī)不能直接驅(qū)動電機(jī)，需要搭配合適的驅(qū)動電路才可以。