单片机控制电机与机器人技术：赋能机器人运动，打造智能机器人

# 1. 单片机控制电机基础

单片机控制电机是机器人技术的基础，它涉及到电机的基本原理、单片机控制方式等内容。本章将介绍单片机控制电机的基本知识，为后续章节的学习打下基础。

### 1.1 电机的基本原理

电机是一种将电能转换为机械能的装置。根据工作原理的不同，电机可以分为直流电机、步进电机和伺服电机。

* **直流电机：**利用电磁感应原理，将电能转换为机械能。其转速与输入电压成正比，与负载转矩成反比。
* **步进电机：**利用电磁原理，将电能转换为机械能。其转动是以固定的角度步进进行的，转速与输入脉冲频率成正比。
* **伺服电机：**是一种闭环控制电机，具有高精度、高响应性等特点。它通过反馈控制系统，将输入信号转换为电机的转速和位置。

# 2. 单片机控制电机实践

### 2.1 单片机控制直流电机

#### 2.1.1 直流电机的基本原理

直流电机是一种利用直流电能转换成机械能的旋转电机。其工作原理是基于电磁感应定律，当电流流过导体时，导体周围会产生磁场。当导体置于磁场中时，会受到磁场力的作用，从而产生转动。

直流电机的基本结构包括定子和转子。定子由永磁体或电磁体组成，产生磁场；转子由线圈绕组组成，通电后产生磁场。当转子磁场与定子磁场相互作用时，产生转动力矩，使转子旋转。

#### 2.1.2 单片机控制直流电机的方式

单片机控制直流电机的方式主要有两种：

- **PWM 控制：**通过改变脉宽调制（PWM）信号的占空比，控制直流电机的转速。当占空比增大时，电机转速增大；当占空比减小时，电机转速减小。
- **H 桥控制：**使用 H 桥电路控制直流电机的方向和转速。H 桥电路由四个开关组成，通过控制开关的开闭状态，可以实现电机正转、反转和制动。

### 2.2 单片机控制步进电机

#### 2.2.1 步进电机的基本原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的电机。其工作原理是基于电磁感应定律，当电流流过线圈时，线圈周围会产生磁场。当线圈通电顺序改变时，磁场方向也会改变，从而带动转子按一定角度旋转。

步进电机的基本结构包括定子和转子。定子由多个线圈绕组组成，通电后产生磁场；转子由永磁体组成。当定子线圈通电时，转子会对齐定子磁场，从而产生转动。

#### 2.2.2 单片机控制步进电机的方式

单片机控制步进电机的方式主要有两种：

- **单脉冲控制：**通过单片机输出一个脉冲信号，控制步进电机旋转一个步距角。
- **多脉冲控制：**通过单片机输出一组脉冲信号，控制步进电机旋转多个步距角。

### 2.3 单片机控制伺服电机

#### 2.3.1 伺服电机的基本原理

伺服电机是一种将电信号转换成角位移或转速的电机。其工作原理是基于闭环控制，通过检测转子的实际位置，与目标位置进行比较，并通过控制电流或电压，使转子达到目标位置。

伺服电机的基本结构包括电机、编码器和控制器。电机负责产生转动力矩；编码器负责检测转子的实际位置；控制器负责比较实际位置和目标位置，并输出控制信号。

#### 2.3.2 单片机控制伺服电机的方式

单片机控制伺服电机的方式主要有两种：

- **PWM 控制：**通过改变 PWM 信号的占空比，控制伺服电机的转速。当占空比增大时，电机转速增大；当占空比减小时，电机转速减小。
- **串口控制：**通过串口发送控制指令，控制伺服电机的角度或转速。

# 3.1 机器人运动学

#### 3.1.1 机器人坐标系和变换矩阵

在机器人运动学中，坐标系是描述机器人运动和位置的基础。机器人通常使用多个坐标系来描述其各个部分的相对位置和运动。

- **基坐标系（世界坐标系）**：这是机器人的参考坐标系，通常固定在机器人工作空间中。
- **关节坐标系**：每个关节都有自己的坐标系，其原点位于关节轴上。
- **末端执行器坐标系**：这是末端执