項(xiàng)目4微小型電機(jī)項(xiàng)目制作：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)控制任務(wù)1.1單音階播放器任務(wù)一：微小型直流電機(jī)控制控制直流電機(jī)加速、減速、啟停等操作。任務(wù)二：步進(jìn)電機(jī)加減速控制控制步進(jìn)電機(jī)加速、減速、啟停。任務(wù)三：多電機(jī)綜合控制同時(shí)控制2個(gè)直流電機(jī)和2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。按鍵手動(dòng)控制各個(gè)電機(jī)的啟停、方向、轉(zhuǎn)速等，在液晶上實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向和啟停狀態(tài)和直流電機(jī)的PWM占空比值任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹本任務(wù)完成對直流電機(jī)的控制，能夠控制直流電機(jī)加速、減速、啟停等。該任務(wù)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是掌握直流電機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)電路控制。任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制微小型直流電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)使用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，電流與主磁極N.S.產(chǎn)生的磁場互相作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與連接于其上的機(jī)械負(fù)載工作。直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有以下幾個(gè)：額定功率：指直流電機(jī)在銘牌規(guī)定下運(yùn)行時(shí)的輸出功率；額定電壓：指額定狀態(tài)下直流電機(jī)輸出的線性電壓；額定電流：指直流電機(jī)在額定電壓和額定功率下工作時(shí)的電流值；額定轉(zhuǎn)速：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制PWM調(diào)速原理PWM（PWM---PulseWidthModulation）即脈沖寬度調(diào)制，PWM波形最重要的三個(gè)參數(shù)是周期、頻率和占空比，圖4-2為PWM波形和參數(shù)說明。任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制PWM調(diào)速原理用單片機(jī)的PWM模塊實(shí)現(xiàn)PWM功能內(nèi)置PWM模塊的單片機(jī)，只要設(shè)置好PWM工作的頻率、分辨率等參數(shù)并啟動(dòng)，將占空比數(shù)據(jù)寫入指定寄存器即可，程序流程如圖4-3所示。這種實(shí)現(xiàn)PWM方法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、控制程序短、程序用于處理PWM功能所需占用的時(shí)間短，不足之處是輸出的I/O口必須是單片機(jī)內(nèi)PWM模塊指定的I/O口，不能任意改變，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路PWM功能時(shí)，受到單片機(jī)內(nèi)PWM硬件資源的限制。任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制PWM調(diào)速原理用程序模擬實(shí)現(xiàn)多路PWM功能用單片機(jī)一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生公共PWM時(shí)基，將該時(shí)基實(shí)時(shí)與各路PWM所要求的占空比數(shù)據(jù)比較，時(shí)基≤占空比數(shù)據(jù)時(shí)，對應(yīng)輸出口輸出“1”，否則輸出“0”。以模擬4路8位PWM功能為例，設(shè)PWM公共時(shí)基存于T0（00H～FFH）存儲(chǔ)器中，各路占空比數(shù)據(jù)存于P1、P2、P3、P4（00H～FFH），PWM輸出分別為OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，選用T0定時(shí)器，主程序和中斷程序流程如圖4-4所示。任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊H橋驅(qū)動(dòng)電路是為有刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的一種常見電路，主要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)，其典型電路形式如圖4-5。從圖4-5中可以看出，其形狀類似于字母“H”，而作為負(fù)載的直流電機(jī)是像“橋”一樣架在上面的，所以稱之為“H橋驅(qū)動(dòng)”。4個(gè)開關(guān)所在位置就稱為“橋臂”。從電路中不難看出，假設(shè)開關(guān)A、D接通，電機(jī)為一種轉(zhuǎn)向；開關(guān)B、C接通，直流電機(jī)將相對另一種轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)。通常使用晶體管或MOS管構(gòu)成橋臂。晶體管構(gòu)成的H橋，如圖4-6；MOS管構(gòu)成的H橋，如圖4-7。任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊H橋電路的性能差異主要包含如下幾個(gè)方面：效率：就是要將輸入的能量盡量多的輸出給負(fù)載，而驅(qū)動(dòng)電路本身最好不消耗或少消耗能量，具體到H橋上，也就是4個(gè)橋臂在導(dǎo)通時(shí)最好沒有壓降，越小越好。安全性：不能同側(cè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通；電壓：能夠承受的驅(qū)動(dòng)電壓；電流：能夠通過的驅(qū)動(dòng)電流。安全性不是H橋本身的問題，而是控制部分要考慮的。效率是由不同器件的性能所決定的，而且是運(yùn)行中最應(yīng)該關(guān)注的指標(biāo)，因?yàn)樗苯佑绊懥穗姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的效率。所以，分析的重點(diǎn)放在效率上，也就是橋臂的壓降上。任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試根據(jù)任務(wù)介紹的功能描述，作如下資源安排：鍵1：電機(jī)加速鍵2：電機(jī)減速鍵3：電機(jī)轉(zhuǎn)向選擇鍵4：暫停/繼續(xù)鍵5：停止/運(yùn)行使用P1口完成5個(gè)按鍵功能，使用P2口控制電機(jī)，使用三極管構(gòu)成的H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作。任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試程序代碼講解任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)4.1微小型直流電機(jī)控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微小型直流電機(jī)PWM調(diào)速原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試直流電機(jī)控制系統(tǒng)項(xiàng)目的測試應(yīng)集中于對電極的控制效果方面，包括以下幾點(diǎn)：正反轉(zhuǎn)的控制靈活性，能否隨時(shí)切換；電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制效果，能否達(dá)到很好的速度調(diào)控；對電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的理解和應(yīng)用，能否在電機(jī)過載時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定工作；人機(jī)接口的設(shè)計(jì)，能否控制驅(qū)動(dòng)電路電源，能否顯示轉(zhuǎn)速，能否顯示各種控制狀態(tài)；能否同時(shí)控制多個(gè)電機(jī)工作；任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹該任務(wù)與任務(wù)一類似，完成對步進(jìn)電機(jī)的控制，包括控制步進(jìn)電機(jī)加速、減速、啟停等。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每當(dāng)一個(gè)脈沖信號施加于電機(jī)的控制繞組時(shí)，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度（步距角），順序連續(xù)地發(fā)給脈沖，則電機(jī)軸一步接一步地運(yùn)轉(zhuǎn)。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展可歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動(dòng)機(jī)，步距角1.8°/0.9°（全步/半步），還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，五相電動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場合。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式（以三相步進(jìn)電機(jī)為例）包括：單相通電方式：“單”指每次切換前后只有一相繞組通電。正轉(zhuǎn)：A-B-C-A時(shí)，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。反轉(zhuǎn)：A-C-B-A時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。單、雙拍工作方式：單雙兩種通電方式的組合應(yīng)用正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CA-A反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BA-A對于上述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)行方式有單三拍、單雙拍及雙三拍等通電方式?！皢巍?、“雙”、“拍”的意思是：“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”就是指每次有兩相繞相通電；而從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫做一“拍”。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式（以三相步進(jìn)電機(jī)為例）包括：單相通電方式：“單”指每次切換前后只有一相繞組通電。正轉(zhuǎn)：A-B-C-A時(shí)，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。反轉(zhuǎn)：A-C-B-A時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。單、雙拍工作方式：單雙兩種通電方式的組合應(yīng)用正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CA-A反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BA-A對于上述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)行方式有單三拍、單雙拍及雙三拍等通電方式?！皢巍?、“雙”、“拍”的意思是：“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”就是指每次有兩相繞相通電；而從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫做一“拍”。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每當(dāng)一個(gè)脈沖信號施加于電機(jī)的控制繞組時(shí)，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度（步距角），順序連續(xù)地發(fā)給脈沖，則電機(jī)軸一步接一步地運(yùn)轉(zhuǎn)。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展可歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動(dòng)機(jī)，步距角1.8°/0.9°（全步/半步），還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，五相電動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場合。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試與直流電機(jī)有所不同，控制步進(jìn)電機(jī)不需要PWM，程序設(shè)計(jì)方面需要完成節(jié)拍的管理和延時(shí)的控制。該任務(wù)設(shè)計(jì)中使用了ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，讀者可參考前面描述的驅(qū)動(dòng)模塊知識點(diǎn)。任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試與直流電機(jī)有所不同，控制步進(jìn)電機(jī)不需要PWM，程序設(shè)計(jì)方面需要完成節(jié)拍的管理和延時(shí)的控制。該任務(wù)設(shè)計(jì)中使用了ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，讀者可參考前面描述的驅(qū)動(dòng)模塊知識點(diǎn)。程序代碼講解任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)4.2步進(jìn)電機(jī)加減速控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入微型步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試測試重點(diǎn)在于要考慮到機(jī)電系統(tǒng)部分與單片機(jī)系統(tǒng)部分的相對獨(dú)立工作和控制的有效性。目前，已完成的這兩個(gè)任務(wù)都沒有涉及到電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的工作效果，假如單片機(jī)所控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)了負(fù)載，而且可能是負(fù)載情況發(fā)生變化，如何能夠在控制系統(tǒng)中考慮負(fù)載情況也是值得考慮的。電機(jī)控制系統(tǒng)的測試中還要考慮到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路工作性能，這部分電路不屬于單片機(jī)外圍電路。隨著電機(jī)負(fù)載的變化，驅(qū)動(dòng)電路的電流會(huì)有較大變化，能否可以承受大電流等。測試的另一個(gè)重點(diǎn)是同時(shí)控制多個(gè)電機(jī)時(shí)的工作協(xié)調(diào)能力和人機(jī)交互友好度等。任務(wù)4.3多電機(jī)綜合控制任務(wù)4.3多電機(jī)綜合控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入舵機(jī)工作原理舵機(jī)控制方法設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試本任務(wù)的構(gòu)思來源于大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，該課題完成了一個(gè)單片機(jī)同時(shí)控制2個(gè)直流電機(jī)和2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過一組按鍵手動(dòng)控制各個(gè)電機(jī)的啟停、方向、轉(zhuǎn)速等，并能夠在液晶上實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向和啟停狀態(tài)和直流電機(jī)的PWM占空比值。該課題具有一定的創(chuàng)意，涉及到較多的技術(shù)應(yīng)用，因此作者也參考該課題重新設(shè)計(jì)了一個(gè)較為簡單的任務(wù)，刪去測速和液晶顯示功能，增加舵機(jī)控制。該任務(wù)的目的是引導(dǎo)讀者比較三種不同電機(jī)的控制方式，重點(diǎn)是舵機(jī)的控制方式。任務(wù)4.3多電機(jī)綜合控制任務(wù)4.3多電機(jī)綜合控制任務(wù)介紹知識導(dǎo)入舵機(jī)工作原理舵機(jī)控制方法設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用測試舵機(jī)也叫也叫RC伺服器，通常用于機(jī)器人項(xiàng)目，也可以在遙控汽車，飛機(jī)等航模中找到它們。類似舵機(jī)這樣的伺服系統(tǒng)通常由小型電動(dòng)機(jī)，電位計(jì)，嵌入式控制系統(tǒng)和變速箱組成。舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖4-22所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。簡單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。任務(wù)4.3多電機(jī)綜合控制任務(wù)4.3多電機(jī)綜合控制任務(wù)介紹