单片机控制马达的应用案例：机器人篇，赋能机器人，实现智能化控制

# 1. 单片机控制马达概述**

单片机控制马达是一种广泛应用于工业自动化、机器人技术和消费电子等领域的控制技术。它利用单片机作为控制核心，通过软件编程实现对马达的控制，具有体积小、成本低、功能强大的特点。

单片机控制马达的基本原理是通过控制马达的供电电压或电流来改变马达的转速和方向。单片机通过内部的定时器、PWM模块和IO口等外设，可以生成各种控制信号，驱动马达工作。

# 2. 单片机控制马达的理论基础

### 2.1 单片机系统结构和工作原理

#### 2.1.1 单片机硬件组成

单片机是一种集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口和定时器等外围设备于一体的微型计算机。其硬件组成主要包括：

- **CPU：**负责执行指令、控制程序运行和进行数据处理。
- **存储器：**分为程序存储器（ROM/Flash）和数据存储器（RAM）。程序存储器存储程序代码，数据存储器存储数据和变量。
- **I/O 接口：**用于与外部设备进行数据交换，包括串口、并口和模拟/数字转换器（ADC/DAC）。
- **定时器：**用于产生定时中断和控制脉冲宽度调制（PWM）输出。

#### 2.1.2 单片机软件结构

单片机软件结构主要包括：

- **应用程序：**用户编写的程序，用于控制单片机执行特定任务。
- **操作系统（可选）：**负责管理单片机资源，提供多任务和实时响应等功能。
- **固件：**存储在 ROM/Flash 中的程序，负责初始化单片机硬件和提供基本功能。

### 2.2 马达控制原理

#### 2.2.1 直流电机控制

直流电机是一种通过控制电流方向来改变转动方向的电机。单片机控制直流电机主要通过以下方式：

- **H 桥电路：**使用四个晶体管组成，通过控制晶体管的开关状态来控制电机正反转。
- **PWM 控制：**通过改变 PWM 信号的占空比，来控制电机转速。

#### 2.2.2 步进电机控制

步进电机是一种通过逐个脉冲驱动来控制转动的电机。单片机控制步进电机主要通过以下方式：

- **步进驱动器：**将单片机输出的脉冲信号转换成驱动步进电机的电流。
- **步进序列：**根据步进电机的相数和驱动方式，确定控制脉冲的顺序和时序。

#### 2.2.3 伺服电机控制

伺服电机是一种带有位置反馈装置的电机，可以精确控制转角。单片机控制伺服电机主要通过以下方式：

- **位置反馈：**通过编码器或霍尔传感器获取电机转角信息。
- **PID 控制：**根据位置反馈和目标位置，计算控制信号，驱动电机转动。

# 3.1 机器人运动控制

**3.1.1 机器人运动学基础**

机器人运动学是研究机器人运动的科学，主要包括机器人坐标系、机器人运动学方程和机器人正逆运动学。

* **机器人坐标系：**机器人坐标系是描述机器人运动的参考框架，通常包括世界坐标系、基座坐标系和末端执行器坐标系。
* **机器人运动学方程：**机器人运动学方程描述了机器人关节变量和末端执行器位置、姿态之间的关系。
* **机器人正逆运动学：**正运动学求解末端执行器位置、姿态与关节变量之间的关系，逆运动学求解关节变量与末端执行器位置、姿态之间的关系。

**3.1.2 单片机控制机器人运动**

单片机控制机器人运动需要根据机器人运动学方程，将目标位置、姿态转换为关节变量，然后输出控制信号驱动电机运动。

# 机器人运动控制代码示例

import numpy as np

# 机器人运动学参数
DH_parameters = np.array([[0, 0.089159, 0, -np.pi/2],
                           [0, 0, 0.425, 0],
                           [0, 0, 0.39225, 0],
                           [0, 0, 0.10915, 0]])

# 正运动学求解
def forward_kinematics(joint_angles):
    T = np.eye(4)
    for i in range(len(joint_angles)):
        T = T @ DH_matrix(joint_angles[i], DH_para