单片机程序设计中的电机控制：PWM、PID，让电机动起来

# 1. 单片机电机控制概述

单片机电机控制是一种利用单片机对电机进行控制的技术。它通过单片机输出控制信号，驱动电机按照预定的方式运动。单片机电机控制具有成本低、体积小、可靠性高、易于实现复杂控制算法等优点，广泛应用于工业自动化、机器人、智能家居等领域。

单片机电机控制涉及多个技术领域，包括单片机技术、电机控制技术、传感技术等。电机控制算法是单片机电机控制的核心，常用的电机控制算法包括PWM调速、PID控制、矢量控制等。

# 2. PWM技术在电机控制中的应用

### 2.1 PWM原理和实现

**脉宽调制（PWM）**是一种通过改变脉冲宽度来控制输出功率的技术。在电机控制中，PWM用于调节电机转速。

PWM信号由一系列脉冲组成，每个脉冲都有一个特定的宽度（占空比）。占空比定义为脉冲宽度与脉冲周期的比率。

**PWM实现**

PWM信号可以通过单片机或专用PWM芯片生成。单片机通过设置定时器和比较器来产生PWM信号。当定时器计数器达到比较器值时，比较器会触发输出脉冲。

### 2.2 PWM调速方法

使用PWM调速电机有两种主要方法：

**1. 占空比调速**

占空比调速通过改变PWM信号的占空比来调节电机转速。较高的占空比对应于更高的转速。

**2. 频率调速**

频率调速通过改变PWM信号的频率来调节电机转速。较高的频率对应于更高的转速。

**代码示例**

以下代码示例展示了使用单片机生成PWM信号：

#include <avr/io.h>

int main() {
  // 设置定时器1
  TCCR1A = (1 << WGM11) | (1 << COM1A1);
  TCCR1B = (1 << WGM13) | (1 << WGM12) | (1 << CS11);
  ICR1 = 255;
  OCR1A = 128;

  // 设置端口B5为输出
  DDRB |= (1 << PB5);

  while (1) {
    // 改变OCR1A的值以调整占空比
    OCR1A = 128 + 64 * sin(t);
    t += 0.01;
  }

  return 0;
}

**代码逻辑分析**

* 设置定时器1为快速PWM模式（WGM13:1 = 111）
* 设置比较器输出模式为非反相（COM1A1 = 1）
* 设置时钟源为内部时钟（CS11 = 1）
* 设置定时器1顶点值为255（ICR1 = 255）
* 设置占空比为50%（OCR1A = 128）
* 设置端口B5为输出（DDRB |= (1 << PB5)）
* 在主循环中，通过改变OCR1A的值来调整占空比，从而控制电机转速

# 3.1 PID控制原理

### PID控制简介

PID（比例-积分-微分）控制是一种闭环控制算法，广泛应用于电机控制等领域。其基本原理是根据误差信号（设定值与实际值之差）的比例、积分和微分值来调整控制输出，以减小误差并达到控制目标。

### PID控制公式

PID控制器的输出信号u(t)由以下公式计算得到：

u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt

其中：

* Kp：比例增益
* Ki：积分增益
* Kd：微分增益
* e(t)：误差信号，即设定值与实际值之差

### PID控制参数整定

PID控制器的性能受其参数（Kp、Ki、Kd）的影响。参数整定是根据具体应用场景和电机特性来调整这些参数，以获得最佳的控制效果。常用的参数整定方法有：

* **齐格勒-尼科尔斯方法：**基于阶跃响应的经验公式，适用于大多数系统