单片机直流电机应用场景探索：10大领域，从玩具到工业自动化

# 1. 单片机直流电机应用概述

单片机直流电机应用广泛，涉及玩具、家用电器、工业自动化、医疗器械等领域。单片机凭借其体积小、成本低、功能强大的特点，成为控制直流电机的不二之选。

本篇文章将深入探讨单片机直流电机应用的原理、控制方式、算法以及实践，并结合具体案例分析，为读者提供全面的理解和应用指导。

# 2. 单片机直流电机控制理论

### 2.1 直流电机的基本原理

直流电机是一种将电能转换为机械能的旋转电机。其工作原理基于电磁感应定律，即当电流流过导体时，导体周围会产生磁场。

直流电机主要由定子和转子两部分组成。定子是电机的固定部分，由永磁体或电磁铁组成，产生磁场。转子是电机的旋转部分，由线圈和换向器组成。当电流流过转子线圈时，线圈周围产生磁场，与定子磁场相互作用，产生电磁力，从而驱动转子旋转。

直流电机的转速与施加在转子线圈上的电压成正比，与转子线圈的电阻成反比。因此，通过控制施加在转子线圈上的电压，可以控制直流电机的转速。

### 2.2 单片机控制直流电机的方式

单片机控制直流电机主要有以下两种方式：

**1. PWM 方式**

PWM（脉宽调制）方式是通过改变施加在转子线圈上的脉冲宽度来控制直流电机的转速。当脉冲宽度越大时，施加在转子线圈上的平均电压越高，转速也越高。

void pwm_control(int duty_cycle) {
    // 设置 PWM 占空比
    TIM_SetCompare1(TIM2, duty_cycle);
}

**2. H 桥方式**

H 桥方式是通过控制两个 H 桥电路来控制直流电机的转速和方向。H 桥电路由四个开关组成，通过控制开关的开闭状态，可以改变施加在转子线圈上的电压极性，从而控制直流电机的方向和转速。

void hbridge_control(int direction, int speed) {
    // 设置 H 桥方向
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);

    // 设置 H 桥速度
    TIM_SetCompare1(TIM3, speed);
}

### 2.3 直流电机控制算法

直流电机控制算法是用于控制直流电机转速和方向的算法。常用的直流电机控制算法包括：

**1. PID 控制算法**

PID 控制算法是一种经典的控制算法，通过测量直流电机的实际转速与期望转速之间的误差，并根据误差调整施加在转子线圈上的电压，从而控制直流电机的转速。

float pid_control(float error) {
    // 计算 PID 误差
    float integral = error * dt;
    float derivative = (error - prev_error) / dt;

    // 计算 PID 输出
    float output = kp * error + ki * integral + kd * derivative;

    // 更新前一次误差
    prev_error = error;

    return output;
}

**2. 模糊控制算法**

模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，通过将直流电机的转速和方向控制问题转化为一系列模糊规则，从而控制直流电机的转速和方向。

void fuzzy_control(int error) {
    // 定义模糊规则
    if (error is small) {
        output is small;
    } else if (error is medium) {
        output is medium;
    } else if (error is large) {
        output is large;
    }

    // 根据模糊规则计算输出
    float output = ...;

    // 根据输出控制直流电机