做做AI，造造人 - 动力老男孩的博客

前几天有几个小朋友给我发邮件，说是打算自己动手设计电路和机械结构来制作魔方机器人，其中提到了用步进电机来旋转魔方。

说来惭愧，电子电路和嵌入式我还真是门外汉，连步进电机都没玩过。看他们如火如荼的进展着，我也心痒痒的，迅速在淘宝上订了一个步进电机。这几天查了点资料，总算对步进电机有了一点了解。

想起给小爱选电机的时候，发现电机的种类真不少，常见的有：直流电机，舵机，步进电机和伺服电机。这是按原理分类的，如果考虑一些附件的话，又有减速电机，直线电机等等，看的我眼花缭乱。这里稍微总结一下，以供跟我一样的初学者参考。

直流电机
小时候经常拆东西的破坏大王们，最熟悉的就是这种电机了，刮胡刀玩具车里都有这个。只有两根线，通过电压来调节转速，把电池反过来接，电机就反向旋转。破坏力更强的一定也知道，里面一般会有电刷和几个转子，还有两块永磁铁，原理就不介绍了。
优点：控制简单，还没学物理的时候就知道怎么玩了
缺点：不能精确的控制旋转角度和速度

舵机
现在终于明白这种电机为什么叫舵机了。大海航行靠舵手，舵机一般用来控制角度，所以经常用来航模和船模上。这种电机内部其实也是普通的直流电机，区别在于加上了一个小电路，用一个电位器（模拟型舵机）来读取电机的当前转角，并不断的调节直流电机两端的电压来让这个转角维持在设定值。一般来说，舵机都会带一个齿轮箱，用来提高精度和扭力。
优点：可以精确控制角度
缺点：角度范围有限，一般小于180度，不能连续旋转，不能设置速度

步进电机
从名字就可以看出来，步进电机是“一步一步”旋转的。例如我买的电机步距角是1.8度，按照指定的时序发送脉冲信号，每收到一个脉冲电机就旋转1.8度。你想让电机转5度？抱歉，这是不行滴，换一个不同步距角的型号吧。另外，通过控制发脉冲的频率，就可以控制步进电机的转速了。哇，角度和速度都可以控制，这下貌似完美了。先别激动，因为步进电机是一个开环系统（简单的说就是无反馈），很可能会发生失步或者越步的现象。当脉冲发的太快或者负载太大的时候，电机还没反应过来，下一个脉冲就到了，这就失步了；当电机带动的转子惯性很大时，脉冲停止后，转子可能还会继续转动，这就是越步了。
优点：角度和速度都可以控制
缺点：失步或越步

伺服电机
完美的电机终于出现了，给步进电机加上伺服电路，检测它是否转到了指定的角度，这就是伺服电机了。一般是靠电机屁股上的一种编码器来读取角度，这玩意儿据说非常精确，当然，这个东西如果价格再便宜点就真的完美了。
优点：角度和速度都可以精确控制
缺点：价格高，控制最复杂
值得一提的是，乐高的NXT系列，用的就是伺服电机，加上开发API接口后，控制非常方便！

对于以上几种电机，如果想用程序控制的话，都需要加上控制器和驱动器。其中控制器一般可以用单片机，相当于发送时序指令给电机。对于小功率的电机，其实用控制器就可以带动了。但是对于功率较大的电机，就需要加上驱动器。驱动器可以简单理解为功率放大器，接受控制器的信号，然后输出大电流给电机。

另外两个概念：减速电机是通过齿轮箱或蜗杆给电机减速，用来提高扭矩；直线电机是通过丝杠，把电机的转动变成丝杠的平动，一般用来做推杆。

倒腾了一晚上，终于用我的Arduino开发板实现步进电机正转和反转了。之前在小爱成长记里写过直流电机和舵机的控制，周末整理一下，把步进电机的控制也加上。至于伺服电机，等以后用的上的时候再研究吧

经常玩NXT的朋友肯定对NXT的电机印象深刻，使用非常方便。转速，角度和方向都可以随意控制。

在计划制作小爱的时候，我也一直希望能找到这样的电机。查了一些资料，觉得比较容易控制的有舵机和步进电机。舵机的主要玩家是船模和航模的爱好者们。大海航行靠舵手，舵机就是用来控制舵角的，它的最大特点是可以方便的控制角度，它的限制是舵角一般不超过180度。步进电机就强多了，既可以控制角度，还可以连续旋转，它的问题是输出就是一个光轴，需要加工配套的零件才能使用，另外价格好像会更贵一点。

我计划用舵机来实现小爱的机械臂，最主要的考虑原因是舵机自带很多舵角之类的配件，比较容易安装，毕竟机械加工是制作过程中最麻烦的部分。另外，一般机械臂的关节转角也不需要大于180度，用舵机就足够了。下面是使用Arduino开发板控制舵机的一个小实验。

先抄一段说明：舵机，又称伺服马达，是一种具有闭环控制系统的机电结构。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由控制器发出PWM（脉冲宽度调制）信号给舵机，经电路板上的IC处理后计算出转动方向，再驱动无核心马达转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器（电位器）返回位置信号，判断是否已经到达设定位置，一般舵机只能旋转180度。

舵机结构图

舵机有3根线，棕色为地，红色为电源正，橙色为信号线，但不同牌子的舵机，线的颜色可能不同，请大家注意。

舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。

舵机角度和占空比的关系

 下面这个小实验的目标是用电位器控制舵机的角度，正好在前一个实验里，电位器都还没有拆掉。需要特别注意的是供电部分，舵机转动时电流会比较大，Arduino上的电源芯片可能会因过流保护到发热而损坏，电源需要接到外部供电，切不可使用USB供电。
舵机的棕色线接GND，红色线接VIN（我猜这个是直接连到外接电源的正极），黄色是数据线，接在PWM的7号管脚。电位器的连接稍微有点变换，因为管脚们施展不开，我把正极连在3.3V的接口上，这样模拟输入的范围就变成了0到660左右。前面说了，舵机分别用0.5ms到2.5ms之间的脉冲来对应0到180度左右的角度，我们可以用pulsewidth=(angle*11)+500这样的公式，把0到180度的转角映射到500到2480的脉冲时间。

接线图

下面看代码：

int readPin = 6;   //用来连接电位器
int servopin = 7;    //定义舵机接口数字接口7

void servopulse(int angle)//定义一个脉冲函数
{
  int pulsewidth=(angle*11)+500;  //将角度转化为500-2480的脉宽值
  digitalWrite(servopin,HIGH);    //将舵机接口电平至高
  delayMicroseconds(pulsewidth);  //延时脉宽值的微秒数
  digitalWrite(servopin,LOW);     //将舵机接口电平至低
  delayMicroseconds(20000-pulsewidth);
}

void setup()
{
   pinMode(servopin,OUTPUT);//设定舵机接口为输出接口
}

void loop()
{
  //读取电位器（传感器）的读数，接到3.3V，值范围从0到660左右
  int readValue = analogRead(readPin);
  //把值的范围映射到0到165左右
  int angle = readValue / 4;
  //发送50个脉冲
  for(int i=0;i<50;i++)
  {
     //引用脉冲函数
     servopulse(angle);
  }
}

实验结果：当旋转电位器的时候，舵机的角度随之改变。不过最终转角并没有达到180度，在某些范围内，电位器旋转时，舵机没有转动。网上舵机的说明也提到了这点，识别的角度范围是有限的。具体的有效角度范围，我还没有测量，等将来开始制作的时候再说。