单片机控制伺服电机：嵌入式系统集成，打造智能化电机控制解决方案（权威性）

# 1. 单片机控制伺服电机的理论基础**

伺服电机是一种高性能的电机，具有精确的位置和速度控制能力。它广泛应用于工业自动化、机器人技术和医疗设备等领域。单片机是一种微型计算机，具有强大的控制能力和低功耗的特点。本文将探讨单片机控制伺服电机的理论基础，为后续的编程技术和实践应用奠定基础。

本章将介绍伺服电机的基本原理、单片机与伺服电机接口设计以及伺服电机控制算法。通过对这些理论基础的理解，读者将能够深入了解单片机控制伺服电机的机制，为后续的实践应用做好准备。

# 2.1 伺服电机控制原理

伺服电机是一种由控制器、放大器和电机组成的闭环控制系统。其工作原理如下：

**1. 位置控制**

* 控制器接收来自外部的指令，如目标位置或速度。
* 控制器根据指令和当前位置信息计算出位置误差。
* 控制器输出一个控制信号，放大器放大该信号并驱动电机。
* 电机旋转，使转子位置接近目标位置，从而减小位置误差。

**2. 速度控制**

* 控制器接收来自外部的指令，如目标速度或加速度。
* 控制器根据指令和当前速度信息计算出速度误差。
* 控制器输出一个控制信号，放大器放大该信号并驱动电机。
* 电机加速或减速，使转速接近目标速度，从而减小速度误差。

**3. 力矩控制**

* 控制器接收来自外部的指令，如目标力矩或负载。
* 控制器根据指令和当前力矩信息计算出力矩误差。
* 控制器输出一个控制信号，放大器放大该信号并驱动电机。
* 电机输出力矩，使负载力矩接近目标力矩，从而减小力矩误差。

### 伺服电机控制算法

伺服电机控制算法分为两类：

**1. 位置控制算法**

* **PID控制：**最常见的算法，通过调整比例、积分和微分增益来控制位置误差。
* **状态空间控制：**基于系统状态方程设计的算法，具有良好的鲁棒性和抗干扰性。

**2. 速度控制算法**

* **PID控制：**与位置控制算法类似，通过调整增益来控制速度误差。
* **滑模控制：**一种非线性控制算法，通过设计滑模面来控制系统状态。

### 代码示例

import numpy as np

class PIDController:
    def __init__(self, Kp, Ki, Kd):
        self.Kp = Kp
        self.Ki = Ki
        self.Kd = Kd
        self.error_prev = 0
        self.integral = 0

    def update(self, error):
        self.integral += error * self.Ki
        derivative = (error - self.error_prev) * self.Kd
        self.error_prev = error
        return self.Kp * error + self.integral + derivative

**代码逻辑分析：**

* `__init__`方法初始化PID控制器的增益参数和内部状态。
* `update`方法计算控制信号。它计算误差的比例、积分和微分项，并将其相加得到控制信号。

**参数说明：**

* `Kp`：比例增