【单片机电机控制入门指南】：从原理到实践，掌握电机控制精髓

# 1. 电机控制基础**

电机控制是利用电子设备控制电机旋转方向、速度和力矩的过程。电机控制广泛应用于工业自动化、机器人技术和消费电子产品等领域。

**1.1 电机分类**

电机根据其工作原理和结构分为以下几类：

- 直流电机：利用直流电磁场产生的力矩驱动旋转。
- 交流电机：利用交流电磁场产生的力矩驱动旋转。
- 步进电机：将一圈定子绕组分成多个相位，通过逐相通电产生电磁场，使转子按步进方式旋转。
- 伺服电机：一种闭环控制电机，具有精确的位置和速度控制能力。

# 2. 单片机电机控制原理

### 2.1 电机控制的基本概念

电机控制是指通过电信号控制电机的运动，包括启动、停止、正反转、调速等操作。电机控制在现代工业自动化、机器人技术、医疗设备等领域有着广泛的应用。

### 2.2 单片机电机控制的硬件结构

单片机电机控制系统主要由以下硬件组成：

- 单片机：负责控制电机运动的中央处理器。
- 驱动电路：负责放大单片机输出的控制信号，驱动电机。
- 电机：将电能转换为机械能的执行器。

### 2.3 单片机电机控制的软件流程

单片机电机控制的软件流程一般包括以下步骤：

1. **初始化**：配置单片机和驱动电路，设置电机控制参数。
2. **控制**：根据控制算法，计算并输出控制信号，控制电机运动。
3. **反馈**：通过传感器采集电机运行状态，并反馈给单片机。
4. **调整**：根据反馈信息，调整控制算法或控制参数，优化电机控制效果。

**代码块：**

void motor_control(void) {
  // 初始化
  init_mcu();
  init_driver();
  init_motor();

  // 控制
  while (1) {
    // 计算控制信号
    control_signal = calculate_control_signal();

    // 输出控制信号
    output_control_signal(control_signal);

    // 采集反馈信息
    feedback_info = get_feedback_info();

    // 调整控制算法
    adjust_control_algorithm(feedback_info);
  }
}

**逻辑分析：**

该代码块实现了单片机电机控制的软件流程。首先进行初始化，然后进入控制循环。在控制循环中，计算控制信号，输出控制信号，采集反馈信息，并根据反馈信息调整控制算法。

**参数说明：**

- `init_mcu()`: 初始化单片机。
- `init_driver()`: 初始化驱动电路。
- `init_motor()`: 初始化电机。
- `calculate_control_signal()`: 计算控制信号。
- `output_control_signal()`: 输出控制信号。
- `get_feedback_info()`: 采集反馈信息。
- `adjust_control_algorithm()`: 调整控制算法。

### 2.4 单片机电机控制的常见控制算法

单片机电机控制中常用的控制算法包括：

- **开环控制**：不使用反馈信息，直接根据控制算法计算控制信号。
- **闭环控制**：使用反馈信息，根据控制算法和反馈信息计算控制信号。
- **PID控制**：一种闭环控制算法，通过比例、积分、微分三个参数调节控制效果。

**表格：**

| 控制算法 | 特点 |
|---|---|
| 开环控制 | 简单易实现，但控制精度低 |
| 闭环控制 | 控制精度高，但实现复杂 |
| PID控制 | 控制精度高，鲁棒性好 |

**流程图：**

graph LR
subgraph 开环控制
    A[单片机] --> B[计算控制信号] --> C[输出控制信号]
end
subgraph 闭环控制
    A[单片机] --> B[计算控制信号] --> C[输出控制信号] --> D[采集反馈信息] --> E[调整控制算法]
end
subgraph PID控制
    A[单片机] --> B[计算控制信号] --> C[输出控制信号] --> D[采集反馈信息] --> E[调整控制算法] --> F[计算PID参数]
end

# 3. 单片机电机控制实践

### 3.1 直流电机控制

#### 3.1.1 直流电机的基本原理

直流电机是一种将电能转换成机械能的旋转电机。其工作原理基于电磁感应定律，即当电流通过导体时，导体周围会产生磁场。直流电机由定子和转子组成，定子产生磁场，转子在磁场中旋转产生转矩。

直流电机的转速与施加的电压成正比，与磁场强度成正比。通过调节电压或磁场强度，可以控制直流电机的转速。

#### 3.1.2 单片机直流电机控制方案

单片机控制直流电机主要通过以下步骤：

1. **初始化单片机和电机驱动电路**：配置单片机引脚，初始化电机驱动电路，设置电机运行参数。
2. **设置电机方向**：通过设置单片机引脚的电平，控制电机正反转。
3. **控制电机转速**：通过调节单片机输出的脉宽调制（PWM）信号的占空比，控制电机供电电压，从而调节电机转速。
4. **电机保护**：检测电机过流、过压等异常情况，采取保护措施，防止电机损坏。

**代码块：**

void dc_motor_control(int direction, int speed) {
    // 设置电机方向
    if (direction == 1) {
        // 正转
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
    } else {
        // 反转
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIOA_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIOA_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
    }

    // 设置电机转速
    TIM2->CCR1 = speed;
}

**逻辑分析：**

* `direction`参数控制电机方向，1表示正转，0表示反转。
* `speed`参数控制电机转速，范围为0-100%。
* `HAL_GPIO_WritePin`函数设置GPIO引脚电平，控制电机方向。
* `TIM2->CCR1`寄存器控制PWM信号的占空比，从而调节电机转速。

### 3.2 步进电机控制

#### 3.2.1 步进电机的基本原理

步进电机是一种将电脉冲转换成机械角位移的电机。其工作原理基于电磁感应定律，即当电流通过线圈时，线圈周围会产生磁场。步进电机由定子和转子组成，定子上有多个线圈，转子上有永磁体。通过逐个通电定子线圈，可以使转子步进旋转。

步进电机的步距角由定子线圈数和转子极对数决定。步进电机可以精确控制旋转角度和位置，但其转速较低。

#### 3.2.2 单片机步进电机控制方案

单片机控制步进电机主要通过以下步骤：

1. **初始化单片机和电机驱动电路**：配置单片机引脚，初始化电机驱动电路，设置电机运行参数。
2. **设置电机步进方向**：通过设置单片机引脚的电平，控制电机正反转。
3. **控制电机步进数**：通过单片机输出脉冲信号，控制电机步进的次数。
4. **电机保护**：检测电机过流、过压等异常情况，采取保护措施，防止电机损坏。

**代码块：**

void step_motor_control(int direction, int steps) {
    // 设置电机步进方向
    if (direction == 1) {
        // 正转
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
    } else {
        // 反转
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIOA_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIOA_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
    }

    // 设置电机步进数
    for (int i = 0; i < steps; i++) {
        // 输出一个脉冲信号
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(1);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

**逻辑分析：**

* `direction`参数控制电机步进方向，1表示正转，0表示反转。
* `steps`参数控制电机步进的次数。
* `HAL_GPIO_WritePin`函数设置GPIO引脚电平，控制电机步进方向和输出脉冲信号。
* `HAL_Delay`函数延迟1ms，控制电机步进的间隔时间。

### 3.3 伺服电机控制

#### 3.3.1 伺服电机的基本原理

伺服电机是一种闭环控制的电机，可以精确控制旋转角度和位置。其工作原理基于反馈控制，即通过位置传感器检测电机的实际位置，与目标位置进行比较，并通过控制电路调整电机的输出，使实际位置与目标位置一致。

伺服电机具有转速快、精度高、响应快等优点，广泛应用于工业自动化、机器人等领域。

#### 3.3.2 单片机伺服电机控制方案

单片机控制伺服电机主要通过以下步骤：

1. **初始化单片机和伺服电机驱动电路**：配置单片机引脚，初始化伺服电机驱动电路，设置电机运行参数。
2. **设置电机目标位置**：通过单片机输出PWM信号，控制伺服电机的位置。
3. **检测电机实际位置**：通过伺服电机内置的位置传感器，检测电机的实际位置。
4. **闭环控制**：将电机实际位置与目标位置进行比较，通过PID算法调整PWM信号的占空比，使电机实际位置与目标位置一致。
5. **电机保护**：检测电机过流、过压等异常情况，采取保护措施，防止电机损坏。

**代码块：**

void servo_motor_control(int target_position) {
    // 设置电机目标位置
    TIM2->CCR1 = target_position;

    // 闭环控制
    while (1) {
        // 检测电机实际位置
        int actual_position = get_actual_position();

        // 计算误差
        int error = target_position - actual_position;

        // PID算法调整PWM信号
        int pwm_duty = pid_control(error);

        // 输出PWM信号
        TIM2->CCR2 = pwm_duty;
    }
}

**逻辑分析：**

* `target_position`参数设置电机目标位置。
* `get_actual_position`函数检测电机实际位置。
* `pid_control`函数根据误差计算PWM信号的占空比。
* `TIM2->CCR2`寄存器控制PWM信号的占空比，从而调整电机位置。

# 4. 单片机电机控制高级应用

### 4.1 PID控制算法在电机控制中的应用

#### 4.1.1 PID控制算法的基本原理

PID控制算法是一种闭环控制算法，用于控制系统的输出与期望值之间的偏差。其基本原理是根据偏差的大小和变化率，调整控制器的输出，以使系统输出尽可能接近期望值。

PID算法由三个参数组成：比例项（P）、积分项（I）和微分项（D）。

* **比例项（P）：**根据当前偏差的大小进行调整，偏差越大，调整量越大。
* **积分项（I）：**根据偏差的累积值进行调整，偏差持续存在，调整量会逐渐增大。
* **微分项（D）：**根据偏差变化率进行调整，偏差变化越快，调整量越大。

#### 4.1.2 PID控制算法在电机控制中的实现

在电机控制中，PID算法通常用于控制电机的速度或位置。其基本流程如下：

1. **测量实际值：**使用传感器测量电机的实际速度或位置。
2. **计算偏差：**将实际值与期望值进行比较，得到偏差。
3. **计算控制量：**根据偏差、偏差累积值和偏差变化率，计算出PID控制器的输出。
4. **输出控制量：**将控制量输出给电机驱动器，调整电机的输入电压或电流。
5. **重复：**重复上述步骤，直到偏差达到最小值。

**代码示例：**

import time

# PID参数
Kp = 1.0
Ki = 0.1
Kd = 0.01

# 目标值
target_value = 100

# 实际值
actual_value = 0

# 误差
error = target_value - actual_value

# 误差累积值
error_integral = 0

# 误差变化率
error_derivative = 0

while True:
    # 测量实际值
    actual_value = ...

    # 计算误差
    error = target_value - actual_value

    # 计算误差累积值
    error_integral += error * time.dt

    # 计算误差变化率
    error_derivative = (error - error_last) / time.dt

    # 计算控制量
    control_output = Kp * error + Ki * error_integral + Kd * error_derivative

    # 输出控制量
    ...

    # 更新误差
    error_last = error

### 4.2 无刷电机控制

#### 4.2.1 无刷电机的基本原理

无刷电机是一种同步电机，其转子由永磁体组成，定子由绕组组成。通过改变定子绕组的电流，可以控制电机的转速和方向。

#### 4.2.2 单片机无刷电机控制方案

单片机控制无刷电机通常采用霍尔传感器或无传感器控制方案。

**霍尔传感器控制方案：**

* 使用霍尔传感器检测转子的位置。
* 根据转子位置，控制定子绕组的电流，实现电机的旋转。

**无传感器控制方案：**

* 通过测量电机反电动势（EMF）或电流，估计转子的位置。
* 根据估计的位置，控制定子绕组的电流，实现电机的旋转。

**代码示例：**

**霍尔传感器控制方案：**

// 霍尔传感器引脚定义
#define HALL_A_PIN  GPIO_Pin_0
#define HALL_B_PIN  GPIO_Pin_1
#define HALL_C_PIN  GPIO_Pin_2

// 定子绕组引脚定义
#define MOTOR_A_PIN  GPIO_Pin_3
#define MOTOR_B_PIN  GPIO_Pin_4
#define MOTOR_C_PIN  GPIO_Pin_5

// 霍尔传感器状态表
const uint8_t hall_states[8] = {
    0b000, // 000: A
    0b001, // 001: AB
    0b010, // 010: B
    0b011, // 011: BC
    0b100, // 100: C
    0b101, // 101: CA
    0b110, // 110: A
    0b111, // 111: BA
};

// 控制定子绕组
void motor_control(uint8_t hall_state) {
    switch (hall_state) {
        case 0b000:
            GPIO_SetBits(GPIOC, MOTOR_A_PIN);
            GPIO_ResetBits(GPIOC, MOTOR_B_PIN);
            GPIO_ResetBits(GPIOC, MOTOR_C_PIN);
            break;
        case 0b001:
            GPIO_SetBits(GPIOC, MOTOR_A_PIN);
            GPIO_SetBits(GPIOC, MOTOR_B_PIN);
            GPIO_ResetBits(GPIOC, MOTOR_C_PIN);
            break;
        // ...
    }
}

// 主循环
int main() {
    // 初始化 GPIO
    ...

    // 主循环
    while (1) {
        // 读取霍尔传感器状态
        uint8_t hall_state = GPIO_ReadInputData(GPIOC) & 0x07;

        // 控制定子绕组
        motor_control(hall_state);
    }
}

**无传感器控制方案：**

// 反电动势检测引脚定义
#define EMF_A_PIN  GPIO_Pin_0
#define EMF_B_PIN  GPIO_Pin_1
#define EMF_C_PIN  GPIO_Pin_2

// 定子绕组引脚定义
#define MOTOR_A_PIN  GPIO_Pin_3
#define MOTOR_B_PIN  GPIO_Pin_4
#define MOTOR_C_PIN  GPIO_Pin_5

// 反电动势采样
uint8_t emf_sample() {
    uint8_t emf_a = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, EMF_A_PIN);
    uint8_t emf_b = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, EMF_B_PIN);
    uint8_t emf_c = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, EMF_C_PIN);

    return (emf_a << 2) | (emf_b << 1) | emf_c;
}

// 控制定子绕组
void motor_control(uint8_t emf_sample) {
    switch (emf_sample) {
        case 0b000:
            GPIO_SetBits(GPIOC, MOTOR_A_PIN);
            GPIO_ResetBits(GPIOC, MOTOR_B_PIN);
            GPIO_ResetBits(GPIOC, MOTOR_C_PIN);
            break;
        case 0b001:
            GPIO_SetBits(GPIOC, MOTOR_A_PIN);
            GPIO_SetBits(GPIOC, MOTOR_B_PIN);
            GPIO_ResetBits(GPIOC, MOTOR_C_PIN);
            break;
        // ...
    }
}

// 主循环
int main() {
    // 初始化 GPIO
    ...

    // 主循环
    while (1) {
        // 反电动势采样
        uint8_t emf_sample = emf_sample();

        // 控制定子绕组
        motor_control(emf_sample);
    }
}

# 5. 单片机电机控制项目实战

### 5.1 基于单片机的直流电机调速系统

**硬件结构**

* 单片机：STM32F103C8T6
* 直流电机：12V，100W
* 电机驱动器：L298N
* 电位器：10kΩ

**软件设计**

* 使用PWM输出控制电机转速
* 根据电位器的值调整PWM占空比
* 通过串口接收上位机发送的控制指令

**代码实现**

#include "stm32f10x.h"

// PWM输出引脚
#define PWM_PIN GPIO_Pin_9
#define PWM_PORT GPIOA

// 电位器引脚
#define POT_PIN GPIO_Pin_0
#define POT_PORT GPIOA

// 电机驱动器引脚
#define IN1_PIN GPIO_Pin_0
#define IN2_PIN GPIO_Pin_1
#define IN3_PIN GPIO_Pin_2
#define IN4_PIN GPIO_Pin_3
#define EN_PIN GPIO_Pin_4
#define MOTOR_PORT GPIOB

// 串口引脚
#define RX_PIN GPIO_Pin_10
#define TX_PIN GPIO_Pin_9
#define USART_PORT GPIOA

// PWM占空比
uint16_t pwm_duty = 0;

void init_pwm() {
    // 配置PWM引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PWM_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(PWM_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 配置PWM定时器
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 配置PWM输出通道
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

    // 启动PWM定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void init_pot() {
    // 配置电位器引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = POT_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(POT_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

void init_motor() {
    // 配置电机驱动器引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN1_PIN | IN2_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN | EN_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(MOTOR_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

void init_usart() {
    // 配置串口引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RX_PIN | TX_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(USART_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 配置串口
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能串口
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

int main() {
    // 初始化硬件
    init_pwm();
    init_pot();
    init_motor();
    init_usart();

    while (1) {
        // 读取电位器的值
        uint16_t pot_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

        // 计算PWM占空比
        pwm_duty = (uint16_t)((float)pot_value / 4095 * 1000);

        // 设置PWM占空比
        TIM_SetCompare1(TIM2, pwm_duty);

        // 接收上位机发送的控制指令
        if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) != RESET) {
            uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);

            // 根据控制指令执行相应操作
            switch (data) {
                case 'f':
                    // 顺时针旋转电机
                    GPIO_SetBits(MOTOR_PORT, IN1_PIN | IN2_PIN);
                    GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, IN3_PIN | IN4_PIN);
                    break;
                case 'r':
                    // 逆时针旋转电机
                    GPIO_SetBits(MOTOR_PORT, IN3_PIN | IN4_PIN);
                    GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, IN1_PIN | IN2_PIN);
                    break;
                case 's':
                    // 停止电机
                    GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, IN1_PIN | IN2_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN);
                    break;
            }
        }
    }
}