嵌入式学习笔记之舵机、步进电机与ULN2802芯片

最近想做一个小展示台项目，就是那种能慢慢旋转展示模型或者产品的小电动平台，计划和FPC开发板的蝴蝶一起制作，看别人的成品转得又稳又慢而且可调速，我就也想自己做一个。但是我对步进电机和舵机并不了解，舵机只是之前看别人嵌入式的项目看到的一个元件，所以就用此文记录。

一、舵机（Servo）到底是什么？

舵机其实可以看成是一个“带脑子的电机”，外部你只看到三根线：

它长下面那样：

但是舵机它不仅仅是一个转子和线圈那么简单，里面还藏着一整套控制系统。

它由以下元件组成：

我们的MCU 通过 PWM 信号告诉舵机“你要转到什么角度”，比如：1.5ms 脉宽代表中间位置，1ms 是最左，2ms 是最右。舵机内部的控制电路会不断比较当前角度和目标角度自动调整，让电机转过去然后停下。

总结就是：

舵机不需要你控制转动顺序，它自己知道怎么动、动多少，所以舵机特别适合做机械臂、舵面控制、云台这类需要**“定位”**的东西。

步进电机就完全不同了，它没有控制电路，也没有角度反馈，就是一个“纯粹的电磁铁 + 线圈”结构。你要它动，它不会自己想办法，你必须按一定顺序给它的线圈通电，它才一步步地走。

比如常见的五线四相步进电机（也叫单极性步进电机），内部有 4 组线圈：A、B、C、D，这 4 组线圈的另一端共用一根线（COM），所以总共有 5 根导线。

如果你按顺序给这 4 个线圈通电：

1	A → B → C → D → A → B → C → D ...

电机就会一小步一小步地转动，每步的角度叫 步距角（比如 1.8°、7.5°），连续通电就会形成稳定旋转，所以步进电机非常适合需要精确控制转动角度或速度的场合，但它本身没有反馈机制，所以如果控制信号乱了，它就可能“丢步”或卡死。

所以若要舵机和步进电机做个比较，可以简单的把舵机当作集成好的一体机，通电给PWM方波信号就行，而步进电机更像原始电机，需要控制不同的线圈进行转动，但是由于我们MCU引脚的驱动电路有限，所以我们要引入驱动芯片—ULB2802

ULN2802 是一颗很常见的 达林顿晶体管阵列 芯片，它名字虽然拗口，但作用很简单：

它帮单片机去“带大电流”的东西，比如电机、继电器、灯。

因为我们单片机的 IO 口输出电流非常小（通常只有几毫安），而电机启动电流往往是几百毫安甚至更高，这时候不能直接接MCU引脚，否则 MCU 直接烧。

上面那段话想必大部分人都难以理解，其实可以简单理解为ULN2802 就是个中间层的“功率放大开关”：

所以，如果要使用ULN2802，电路图大概要这样接：

上图还有一个重要的COM引脚，可以看到我们接了5V的输入，但它不是给ULN2802供电的，我们下章讲

如果你自己去翻ULN2802的文档，可以看到对COM口的定义是如下的：

可以看到文档对COM的描述是钳位二极管公共端，是不是大部分人刚看到都不知道啥意思，其实很简单：这个脚不是电源供电用的，而是用来连接保护二极管的公共端，当你驱动感性负载（比如电机、继电器）时，在断电那一瞬间会产生一个反向高压电流（叫反电动势），可能会击穿芯片。

而ULN2802 内部已经把每路输出都接了一个保护二极管，只要你把 COM 接到电机电源正极（比如 +5V），这些二极管就能把反向电压“钳住”，安全地引回电源，保护芯片，这就是所谓的“钳位保护”。

再看这张图是不是就能理解为什么要接5V了，至此，我们算是可以了解步进电机的基本使用了吧

毕竟下面这张原理图已经把走线都设计好了，ULN2802在此当驱动器使用，用小信号控制大负载，不放大电压，让你能安全地控制电机、继电器、灯光这类高电流设备。

最后补充一句，看完这篇博客，你是不是也应该想好我们用什么了，那当然是步进电机了，因为我们做展示台的情况下会使用到转速，而步进电机可以很方便的控制我们的转速。