跳到主要内容

电机控制

电机是 Arduino 项目中最常用的执行器之一。本章将介绍三种常见电机的控制方法：直流电机、舵机和步进电机。

直流电机控制​

直流电机是最简单的电机类型，通过改变电压大小和极性来控制转速和方向。

为什么需要电机驱动​

Arduino 的 IO 引脚只能提供约 40mA 电流，而直流电机通常需要几百毫安。因此需要电机驱动模块。

L298N 电机驱动模块​

L298N 是最常用的双路电机驱动模块，可同时控制两个直流电机。

硬件连接：

L298N ENA ── D9（PWM 调速）
L298N IN1 ── D8（方向控制）
L298N IN2 ── D7（方向控制）
L298N OUT1 ── 电机 A 正极
L298N OUT2 ── 电机 A 负极
L298N +12V ── 外部电源正极（7-12V）
L298N GND  ── 外部电源负极 + Arduino GND
L298N +5V  ── 可选，给 Arduino 供电

代码示例​

const int ENA = 9;   // PWM 调速
const int IN1 = 8;   // 方向控制
const int IN2 = 7;   // 方向控制

void setup() {
  pinMode(ENA, OUTPUT);
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
  
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println("正转，全速");
  motorForward(255);
  delay(2000);
  
  Serial.println("停止");
  motorStop();
  delay(1000);
  
  Serial.println("反转，半速");
  motorBackward(128);
  delay(2000);
  
  Serial.println("停止");
  motorStop();
  delay(1000);
  
  // 加速测试
  Serial.println("加速测试");
  for (int speed = 0; speed <= 255; speed += 5) {
    motorForward(speed);
    delay(100);
  }
  motorStop();
  delay(1000);
}

// 正转
void motorForward(int speed) {
  digitalWrite(IN1, HIGH);
  digitalWrite(IN2, LOW);
  analogWrite(ENA, speed);
}

// 反转
void motorBackward(int speed) {
  digitalWrite(IN1, LOW);
  digitalWrite(IN2, HIGH);
  analogWrite(ENA, speed);
}

// 停止（刹车）
void motorStop() {
  digitalWrite(IN1, LOW);
  digitalWrite(IN2, LOW);
  analogWrite(ENA, 0);
}

// 自由停止（惯性滑行）
void motorCoast() {
  digitalWrite(IN1, LOW);
  digitalWrite(IN2, LOW);
}

舵机控制​

舵机（Servo）可以精确控制角度，常用于机器人关节、航模控制等。

舵机工作原理​

舵机通过 PWM 信号控制角度：

  • 0.5ms 脉冲 = 0°
  • 1.5ms 脉冲 = 90°
  • 2.5ms 脉冲 = 180°

硬件连接​

舵机红线（VCC）── 5V（外部电源推荐）
舵机棕线（GND）── GND
舵机黄线（SIG）── D9（PWM 引脚）
电源提示

多个舵机同时工作时，不要使用 Arduino 的 5V 供电，应使用外部 5V 电源。

代码示例​

#include <Servo.h>

Servo myServo;
const int SERVO_PIN = 9;

void setup() {
  myServo.attach(SERVO_PIN);
  Serial.begin(9600);
  
  // 初始化到中间位置
  myServo.write(90);
  Serial.println("舵机初始化完成");
}

void loop() {
  // 从 0 度转到 180 度
  Serial.println("0° -> 180°");
  for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
    myServo.write(angle);
    delay(15);  // 给舵机足够时间转动
  }
  
  delay(500);
  
  // 从 180 度转回 0 度
  Serial.println("180° -> 0°");
  for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
    myServo.write(angle);
    delay(15);
  }
  
  delay(500);
}

电位器控制舵机​

#include <Servo.h>

Servo myServo;
const int SERVO_PIN = 9;
const int POT_PIN = A0;

void setup() {
  myServo.attach(SERVO_PIN);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int potValue = analogRead(POT_PIN);
  
  // 将 0-1023 映射到 0-180
  int angle = map(potValue, 0, 1023, 0, 180);
  
  myServo.write(angle);
  
  Serial.print("电位器: ");
  Serial.print(potValue);
  Serial.print(" | 角度: ");
  Serial.println(angle);
  
  delay(15);
}

多舵机控制​

Arduino Uno 可以同时控制最多 12 个舵机（使用 Servo 库）：

#include <Servo.h>

Servo servo1;
Servo servo2;
Servo servo3;

void setup() {
  servo1.attach(9);
  servo2.attach(10);
  servo3.attach(11);
}

void loop() {
  // 同时控制多个舵机
  servo1.write(0);
  servo2.write(90);
  servo3.write(180);
  delay(1000);
  
  servo1.write(90);
  servo2.write(0);
  servo3.write(90);
  delay(1000);
}

步进电机控制​

步进电机可以精确控制转动角度，适合需要精确定位的应用。

28BYJ-48 步进电机 + ULN2003 驱动板​

这是最常用的步进电机组合，价格低廉，适合入门。

硬件连接：

ULN2003 IN1 ── D8
ULN2003 IN2 ── D9
ULN2003 IN3 ── D10
ULN2003 IN4 ── D11
ULN2003 +   ── 5V
ULN2003 -   ── GND

代码示例​

const int IN1 = 8;
const int IN2 = 9;
const int IN3 = 10;
const int IN4 = 11;

// 单四拍步序
const int steps[] = {0b1000, 0b0100, 0b0010, 0b0001};
// 双四拍步序（扭矩更大）
// const int steps[] = {0b1100, 0b0110, 0b0011, 0b1001};
// 八拍步序（更平滑）
// const int steps[] = {0b1000, 0b1100, 0b0100, 0b0110, 0b0010, 0b0011, 0b0001, 0b1001};

const int numSteps = 4;
int currentStep = 0;

void setup() {
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
  pinMode(IN3, OUTPUT);
  pinMode(IN4, OUTPUT);
  
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println("正转一圈");
  rotate(2048, true);  // 28BYJ-48 一圈约 2048 步
  delay(1000);
  
  Serial.println("反转半圈");
  rotate(1024, false);
  delay(1000);
}

// 转动指定步数
void rotate(int steps, bool clockwise) {
  for (int i = 0; i < steps; i++) {
    stepMotor(clockwise);
    delay(2);  // 控制速度
  }
}

// 单步执行
void stepMotor(bool clockwise) {
  if (clockwise) {
    currentStep++;
  } else {
    currentStep--;
  }
  
  currentStep = (currentStep + numSteps) % numSteps;
  
  int pattern = steps[currentStep];
  digitalWrite(IN1, pattern & 0b1000);
  digitalWrite(IN2, pattern & 0b0100);
  digitalWrite(IN3, pattern & 0b0010);
  digitalWrite(IN4, pattern & 0b0001);
}

使用 Stepper 库​

Arduino 内置 Stepper 库简化步进电机控制：

#include <Stepper.h>

// 28BYJ-48 一圈的步数
const int STEPS_PER_REV = 2048;

// 创建步进电机对象，参数为每圈步数和引脚
Stepper myStepper(STEPS_PER_REV, 8, 10, 9, 11);

void setup() {
  // 设置转速（RPM）
  myStepper.setSpeed(10);
  
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println("顺时针转一圈");
  myStepper.step(STEPS_PER_REV);
  delay(1000);
  
  Serial.println("逆时针转半圈");
  myStepper.step(-STEPS_PER_REV / 2);
  delay(1000);
}

综合示例：机械臂控制​

使用多个舵机控制简单机械臂：

#include <Servo.h>

Servo baseServo;      // 底座旋转
Servo shoulderServo;  // 肩部
Servo elbowServo;     // 肘部
Servo gripperServo;   // 夹爪

void setup() {
  baseServo.attach(9);
  shoulderServo.attach(10);
  elbowServo.attach(11);
  gripperServo.attach(12);
  
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("机械臂初始化完成");
  
  // 复位到初始位置
  moveToPosition(90, 90, 90, 0);
}

void loop() {
  // 示例动作序列
  Serial.println("动作 1：抓取");
  moveToPosition(45, 120, 60, 0);   // 移动到物体上方
  delay(500);
  moveToPosition(45, 100, 80, 0);   // 下降
  delay(500);
  gripperServo.write(90);            // 夹紧
  delay(500);
  moveToPosition(45, 120, 60, 90);  // 抬起
  
  delay(1000);
  
  Serial.println("动作 2：放置");
  moveToPosition(135, 120, 60, 90); // 移动到放置点
  delay(500);
  moveToPosition(135, 100, 80, 90); // 下降
  delay(500);
  gripperServo.write(0);             // 松开
  delay(500);
  moveToPosition(135, 120, 60, 0);  // 抬起
  
  delay(2000);
}

// 平滑移动到指定位置
void moveToPosition(int base, int shoulder, int elbow, int gripper) {
  // 使用简单的线性插值实现平滑移动
  int startBase = baseServo.read();
  int startShoulder = shoulderServo.read();
  int startElbow = elbowServo.read();
  int startGripper = gripperServo.read();
  
  int steps = 20;  // 插值步数
  
  for (int i = 0; i <= steps; i++) {
    float t = (float)i / steps;
    
    baseServo.write(startBase + (base - startBase) * t);
    shoulderServo.write(startShoulder + (shoulder - startShoulder) * t);
    elbowServo.write(startElbow + (elbow - startElbow) * t);
    gripperServo.write(startGripper + (gripper - startGripper) * t);
    
    delay(20);
  }
}

电机选择指南​

电机类型优点缺点适用场景
直流电机转速高、成本低无法精确定位车轮驱动、风扇
舵机角度精确控制转动范围有限机械臂、航模
步进电机精确步进、可定位转速较低3D 打印机、CNC

电源注意事项​

电流需求参考​

设备典型电流建议电源
小舵机（9g）100-250mAArduino 5V
标准舵机500mA-1A外部 5V 2A
大扭矩舵机2-3A外部 5V 5A
直流电机500mA-2A外部 7-12V
步进电机100-500mA外部 5V 2A

电源接线示例​

外部电源 5V 2A ──┬── 舵机 VCC
                 ├── L298N +12V
                 
外部电源 GND ────┬── 舵机 GND
                 ├── L298N GND
                 ├── Arduino GND（必须共地）
                 
Arduino 5V ────── 传感器、逻辑电路
Arduino GND ───── 传感器、逻辑电路

下一步​

掌握了电机控制后，我们将学习如何使用各种显示设备，如 LCD、OLED 和数码管。