ESP32 伺服馬達 SG90 控制完整教學：PWM 脈衝控制、LEDC 多軸同步、平滑運動與梯形加減速

ESP32 伺服馬達 SG90 控制：PWM 脈衝控制與多軸管理

ESP32 伺服馬達控制是機器人與 IoT 互動裝置中最常見的應用之一。SG90 是一款便宜的微型伺服馬達，廣泛應用於機器手臂、雲台、智慧門鎖、RC 模型等場景。ESP32 伺服馬達控制涉及 PWM 脈衝寬度調變、LEDC 硬體計時器、多通道同步以及電源管理等多個面向。

本文將深入探討：

• 伺服馬達 PWM 控制原理（50 Hz, 1~2 ms 脈衝）
• ESP32 LEDC 硬體 PWM 產生器
• 多軸伺服管理（8+ 通道獨立控制）
• 平滑運動與梯形加減速
• Servo 函式庫 vs 底層 LEDC API
• 電源設計與實務注意事項

SG90 規格

PWM 控制原理

伺服馬達的控制非常簡單：每隔 20 ms（50 Hz）發送一個脈衝，脈衝寬度決定旋轉角度：

角度與脈衝寬度的對應關係：

關鍵公式：

脈衝寬度 (ms) = 1.5 + (角度 - 90) / 90
角度範圍: 0 ~ 180 度
脈衝寬度範圍: 0.5 ~ 2.5 ms (SG90 標準)
解析度: 約 11 us/deg (20ms / 180deg / 20bit timer)

硬體接線

⚠ 重要：伺服馬達不可從 ESP32 的 3.3V 取電！

SG90 在堵轉時電流可達 750 mA，遠超過 ESP32 3.3V 穩壓器的輸出能力。必須使用獨立 5V 2A+ 電源，並將 ESP32 GND 與電源 GND 連接（共地）。

ESP32 LEDC PWM 硬體

ESP32 內建 LEDC (LED Control) PWM 控制器，專門用於產生精確的 PWM 訊號：

• 8 通道（可擴展到 16 通道）
• 20-bit 解析度（可設定 1~20 bit）
• 硬體自動輸出（不佔用 CPU）
• 可設定頻率（1 Hz ~ 40 MHz）
• 3 組時基（每組共用頻率，各通道獨立佔空比）

Arduino 程式設計

使用 Servo 函式庫（最簡易）

// ESP32 伺服馬達 — Servo 函式庫
#include <Servo.h>

Servo servo0;
Servo servo1;

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    servo0.attach(13);  // GPIO 13
    servo1.attach(12);  // GPIO 12

    // 歸零
    servo0.write(0);
    servo1.write(0);
    delay(1000);
}

void loop() {
    // 掃描 0~180 度
    for (int pos = 0; pos <= 180; pos += 1) {
        servo0.write(pos);
        delay(15);  // 約需 15 ms/deg (SG90 0.12s/60deg)
    }
    for (int pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) {
        servo0.write(pos);
        delay(15);
    }

    // 直接設定脈衝寬度 (us)
    servo1.writeMicroseconds(1000);  // 0deg
    delay(1000);
    servo1.writeMicroseconds(1500);  // 90deg
    delay(1000);
    servo1.writeMicroseconds(2000);  // 180deg
    delay(1000);
}

LEDC 底層 API（精確控制）

// ESP32 伺服馬達 — LEDC 底層 PWM 控制
#define SERVO_FREQ     50      // 50 Hz
#define SERVO_RESOLUTION 16    // 16-bit 解析度
#define SERVO_CH0      0       // LEDC 通道 0
#define SERVO_PIN0     13

// 角度轉脈衝寬度 (us)
int angleToPulse(int angle) {
    // angle: 0~180, 回傳 500~2500 us
    return map(angle, 0, 180, 500, 2500);
}

// 脈衝寬度轉 duty cycle
uint32_t pulseToDuty(int pulse_us) {
    // 50 Hz = 20,000 us 週期
    // 16-bit: 0~65535
    return (uint64_t)pulse_us * 65535 / 20000;
}

void setServoAngle(int channel, int angle) {
    int pulse = angleToPulse(angle);
    uint32_t duty = pulseToDuty(pulse);
    ledcWrite(channel, duty);
}

void setup() {
    // 設定 LEDC 通道
    ledcSetup(SERVO_CH0, SERVO_FREQ, SERVO_RESOLUTION);
    ledcAttachPin(SERVO_PIN0, SERVO_CH0);

    // 設定到 90deg
    setServoAngle(SERVO_CH0, 90);
}

void loop() {
    for (int a = 0; a <= 180; a += 5) {
        setServoAngle(SERVO_CH0, a);
        delay(50);
    }
}

多軸伺服同步控制

// ESP32 四軸伺服同步控制 (LEDC 多通道)
#define SERVO_FREQ 50
#define SERVO_RES  16

// 伺服設定結構
struct ServoConfig {
    uint8_t pin;
    uint8_t channel;
    int currentAngle;
    int targetAngle;
};

ServoConfig servos[4] = {
    {13, 0, 90, 0},   // Servo 0: GPIO 13, CH0
    {12, 1, 90, 0},   // Servo 1: GPIO 12, CH1
    {14, 2, 90, 0},   // Servo 2: GPIO 14, CH2
    {27, 3, 90, 0},   // Servo 3: GPIO 27, CH3
};

void setupAllServos() {
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        ledcSetup(servos[i].channel, SERVO_FREQ, SERVO_RES);
        ledcAttachPin(servos[i].pin, servos[i].channel);
        setAngle(i, servos[i].currentAngle);
    }
}

void setAngle(int idx, int angle) {
    servos[idx].targetAngle = constrain(angle, 0, 180);
    // 轉換脈衝寬度: 0.5~2.5ms
    int pulse = map(angle, 0, 180, 500, 2500);
    uint32_t duty = (uint64_t)pulse * 65535 / 20000;
    ledcWrite(servos[idx].channel, duty);
}

void moveAllTo(int angles[4]) {
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        setAngle(i, angles[i]);
    }
}

void setup() {
    setupAllServos();
}

void loop() {
    int pose1[4] = {0, 45, 90, 135};
    int pose2[4] = {180, 135, 90, 45};

    moveAllTo(pose1);
    delay(2000);
    moveAllTo(pose2);
    delay(2000);
}

平滑運動（梯形加減速）

// 階梯式插值 — 避免伺服馬達抖動
void smoothMove(int idx, int target, int stepDelay = 20) {
    int current = servos[idx].currentAngle;
    int step = (target > current) ? 1 : -1;

    // 逐步移動，每次移動 1 度
    for (int pos = current; pos != target; pos += step) {
        setAngle(idx, pos);
        servos[idx].currentAngle = pos;
        delay(stepDelay);  // 每度延遲 (ms)
    }
    // 確保到達目標
    setAngle(idx, target);
    servos[idx].currentAngle = target;
}

// 自動計算最佳速度
void smoothMoveWithSpeed(int idx, int target, float speedDegPerSec) {
    int current = servos[idx].currentAngle;
    int dist = abs(target - current);
    if (dist == 0) return;

    int delayMs = max(5, (int)(1000.0 / speedDegPerSec));
    int step = (target > current) ? 1 : -1;

    // 梯形加減速
    int accelDist = dist / 3;  // 加速距離
    int decelDist = dist / 3;  // 減速距離

    for (int pos = current; pos != target; pos += step) {
        setAngle(idx, pos);
        servos[idx].currentAngle = pos;

        int remaining = abs(target - pos);
        int traveled = abs(pos - current);

        if (traveled < accelDist) {
            // 加速: 逐漸減少延遲
            delay(delayMs * (1 + (float)(accelDist - traveled) / accelDist));
        } else if (remaining < decelDist) {
            // 減速: 逐漸增加延遲
            delay(delayMs * (1 + (float)(decelDist - remaining) / decelDist));
        } else {
            // 等速
            delay(delayMs);
        }
    }
}

PCA9685 I2C 擴展（32+ 通道）

// ESP32 + PCA9685 16 通道伺服控制
// PCA9685 使用 I2C 通訊，可控制 16 個伺服馬達
// 多個 PCA9685 可串接 (最多 62 個 = 992 伺服)
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

Adafruit_PWMServoDriver pwm = Adafruit_PWMServoDriver();

// PCA9685 PWM 頻率設定
#define SERVO_FREQ 50  // 50 Hz

// 脈衝寬度極限 (us)
#define SERVO_MIN  500  // 0deg
#define SERVO_MAX  2500 // 180deg

void setup() {
    pwm.begin();
    pwm.setOscillatorFrequency(27000000);  // PCA9685 內部震盪器
    pwm.setPWMFreq(SERVO_FREQ);            // 50 Hz
    delay(10);
}

void setPCA9685Servo(int ch, int angle) {
    int pulse = map(angle, 0, 180, SERVO_MIN, SERVO_MAX);
    // PCA9685 的 pulse 單位: 1/4096 週期
    // 50 Hz 週期 = 20 ms = 20000 us
    // 4096 / 20000 * pulse_us
    pwm.setPWM(ch, 0, pulse * 4096 / 20000);
}

void loop() {
    // 控制通道 0~15
    for (int ch = 0; ch < 16; ch++) {
        setPCA9685Servo(ch, 90);  // 全部置中
    }
    delay(2000);

    for (int ch = 0; ch < 16; ch++) {
        setPCA9685Servo(ch, 0);
    }
    delay(2000);
}

ESP-IDF LEDC API

// ESP-IDF 伺服馬達控制
#include "driver/ledc.h"

#define SERVO_PIN      13
#define SERVO_CHANNEL  LEDC_CHANNEL_0
#define SERVO_TIMER    LEDC_TIMER_0
#define SERVO_FREQ     50
#define SERVO_RES      LEDC_TIMER_16_BIT

void setup() {
    ledc_timer_config_t timer_conf = {
        .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
        .duty_resolution = SERVO_RES,
        .timer_num = SERVO_TIMER,
        .freq_hz = SERVO_FREQ,
        .clk_cfg = LEDC_AUTO_CLK
    };
    ledc_timer_config(&timer_conf);

    ledc_channel_config_t ch_conf = {
        .gpio_num = SERVO_PIN,
        .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
        .channel = SERVO_CHANNEL,
        .timer_sel = SERVO_TIMER,
        .duty = 0,
        .hpoint = 0
    };
    ledc_channel_config(&ch_conf);
}

void setServo(int angle) {
    uint32_t pulse = map(angle, 0, 180, 500, 2500);  // us
    uint32_t duty = pulse * 65535 / 20000;
    ledc_set_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, SERVO_CHANNEL, duty);
    ledc_update_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, SERVO_CHANNEL);
}

電源設計注意事項

實務注意事項

• 獨立電源：伺服馬達不可從 ESP32 3.3V 取電，需獨立 5V 2A+ 電源並共地
• 大電容：伺服馬達啟動瞬間電流很大，電源端並聯 470~1000 uF 電解電容
• 訊號電平：ESP32 3.3V PWM 訊號對 SG90 完全相容（SG90 邏輯閾值約 1.5V）
• 死區：SG90 有約 2~5 us 的死區，角度控制精度約 0.2~0.5deg
• 抖動：PWM 頻率必須精確 50 Hz，頻率飄移會造成伺服抖動
• 保護：堵轉時持續供電會燒毀馬達或驅動晶片，建議加入電流檢測
• 金屬齒輪：SG90 為塑膠齒輪，頻繁使用建議更換 MG90S（金屬齒輪）
• 波特率限制：Servo.write() 內部使用 50 Hz 更新，每 20 ms 才能改變一次角度

常見問題

總結

ESP32 控制伺服馬達有從最簡的 Servo 函式庫到底層 LEDC API 的多種選擇。對於大多數應用，Servo 函式庫已經足夠；但需要精確同步或多軸控制時，LEDC 硬體 API 提供更好的效能和靈活性。

選型參考：

• 1~2 顆簡易控制：Servo 函式庫（寫入角度，自動管理 PWM）
• 4~8 軸專案：LEDC 底層 API（精確同步，硬體輸出）
• 8~16 軸以上：PCA9685 I2C 擴展（只需 2 條 I2C 線）
• 工業級 / 大扭力：改用 MG996R 或 Dynamixel 智慧伺服（數位通訊）