如何用单片机驱动电机

单片机驱动电机是嵌入式系统设计的核心技能之一。本文将系统讲解直流电机、步进电机及舵机的驱动原理，详细介绍高电平驱动、低边驱动和全桥驱动三种电路方案，剖析脉冲宽度调制调速技术，并提供硬件选型指南、代码实例以及抗干扰设计要点，帮助开发者构建稳定可靠的电机控制系统。

       理解电机驱动的基本原理

       单片机作为控制核心，其输入输出接口通常只能提供数毫安级别的电流和五伏电压，而即便是小型直流电机的工作电流也可能达到数百毫安甚至更高，且需要更高的工作电压。因此，驱动电路的核心作用就是充当单片机与电机之间的功率接口，利用微弱的控制信号来操控大功率负载的运转。这种电流与电压的放大，是实现电机驱动的基础。

       常见电机的类型与特点

       在开始设计驱动电路之前，必须明确目标电机的类型。最常用的有三种：直流电机，其特点是连续旋转且转速与施加电压成正比，控制简单，广泛用于玩具、风扇等场景；步进电机，其特点是以固定的角度逐步转动，可实现精确的位置控制，常用于打印机、数控机床；舵机（伺服电机），其内部集成了控制电路和齿轮组，可通过特定信号协议控制旋转角度，常见于机器人关节和模型控制。

       高电平驱动方案

       这是最简单的驱动方式。单片机输入输出接口直接连接到一个三极管或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的基极或栅极，电机的电源由外部动力电源提供。当单片机输出高电平时，晶体管导通，电机得电运转；输出低电平时，晶体管关断，电机停止。这种方案仅能实现电机的开关控制，无法改变转向，且通常用于小功率直流电机。

       低边驱动与高边驱动的区别

       上述方案中，驱动元件位于电机和地之间，称为低边驱动。其优点是驱动电路简单，栅极或基极电压参考地，易于控制。缺点是电机一端始终连接动力电源，在布线不佳时可能引入干扰。高边驱动则将驱动元件放置在电机与动力电源正极之间，可以更好地管理负载的电源通断，但电路相对复杂，需要自举电路或电荷泵来产生高于动力电源的栅极驱动电压。

       全桥驱动电路解析

       若要控制电机的正反转，必须使用全桥电路（常称为H桥）。它由四个开关元件（通常是MOSFET）组成，电机位于桥臂中心。通过控制对角线上两个开关管的导通，可以改变流过电机的电流方向，从而实现电机的正转和反转。此外，利用脉冲宽度调制技术，还能同时对电机进行调速，这是最常用且功能最完善的直流电机驱动方案。

       集成驱动芯片的优势

       相较于自行搭建分立元件电路，采用集成电机驱动芯片是更可靠、高效的选择。例如常见的L298N、德州仪器的DRV8833等芯片，内部集成了逻辑控制电路、功率输出级以及必要的保护电路如过热关机、欠压锁定和过流检测。它们通常支持直接与单片机连接，大大简化了外围电路设计，提高了系统的稳定性和开发效率。

       脉冲宽度调制调速技术

       脉冲宽度调制是单片机控制电机速度的核心技术。其原理是通过快速开关驱动管，改变一个周期内高电平所占的时间比例（即占空比）来等效地改变施加在电机两端的平均电压。占空比越大，平均电压越高，电机转速越快。单片机的定时器模块可以方便地产生频率和占空比均可调的脉冲宽度调制波，从而实现平滑的无级调速。

       步进电机的驱动方法

       驱动步进电机需要按特定时序向它的多相线圈轮流供电。驱动方案主要有单极性驱动和双极性驱动两种。ULN2003是常用的单极性步进电机驱动芯片，它内部包含达林顿晶体管阵列，可直接驱动线圈。对于性能要求更高的双极性步进电机，则需要使用专用的全桥驱动芯片，如 Allegro MicroSystems 的A4988，它内置了转换器，只需输入步进脉冲和方向信号即可控制电机。

       舵机的控制信号协议

       舵机的控制需要遵循特定的信号协议。它接收一个周期为二十毫秒的脉冲宽度调制信号，但调速的不是占空比，而是脉冲的宽度。脉冲宽度在零点五毫秒到二点五毫秒之间变化，分别对应输出轴零度到一百八十度的位置。单片机只需生成一个特定宽度的脉冲，即可让舵机转动并保持在指定角度。

       硬件电路的选型指南

       选择驱动硬件时，务必留足余量。驱动元件的额定电压应高于动力电源电压，额定电流应至少为电机最大工作电流的一点五倍以上。对于有频繁启停或正反转的应用，电流余量需要更大。同时，必须为电机电源配置一个大容量的电解电容（百微法级以上）进行去耦，以吸收电机启停时产生的电流冲击，防止电源电压波动导致单片机复位。

       软件编写与代码实例

       以使用定时器产生脉冲宽度调制信号驱动直流电机为例。首先初始化定时器，设置脉冲宽度调制频率（通常几千赫兹到上万赫兹）和占空比分辨率。在主循环或中断中，根据需求改变捕获比较寄存器的值来调整占空比。若要控制转向，则需操作连接至H桥方向控制引脚的通用输入输出接口电平。代码结构应清晰，将电机控制函数模块化，便于调用和维护。

       抗干扰与保护措施

       电机是严重的干扰源，尤其在换向时会产生强烈的电磁干扰和电源噪声。强烈的干扰可能导致单片机程序跑飞或复位。必须采取的措施包括：在电机两端并联一个零点一微法的瓷片电容以吸收火花干扰；在驱动芯片的电源入口处串联磁珠并并联电容滤波；将单片机的地与电机动力地单点连接；在控制信号线上串联一个一百欧姆左右的电阻，以抑制振铃现象。

       实际应用中的调试技巧

       系统搭建完成后，调试至关重要。建议先用可调电源为电机驱动部分供电，并设定电流限制，防止接线错误导致短路烧毁元件。然后逐步测试：先确保单片机能输出正确的脉冲宽度调制信号和方向信号，再用示波器观察驱动芯片输出端的波形是否正常，最后再连接电机进行负载测试。观察电机运行是否平稳，有无异常发热，并根据现象调整软件参数或硬件元件。

       进阶话题与资源推荐

       对于希望深入研究的开发者，可以进一步了解闭环控制。通过加装编码器来反馈电机的实际转速或位置，单片机根据反馈值与目标值的偏差，使用比例积分微分算法进行动态调整，可以构建精度和抗扰能力远超开环控制的系统。此外，各大半导体厂商的官方网站是其驱动芯片最权威的资料库，应养成查阅数据手册和应用笔记的习惯，这是解决复杂工程问题的金钥匙。