汽車單片機技術(shù)學(xué)習(xí)任務(wù)18舵機的控制【任務(wù)描述】當(dāng)前需要控制旋轉(zhuǎn)角度的裝置越來越多，一般的電機只能控制其旋轉(zhuǎn)的速度和方向，但實舵機卻可以控制旋轉(zhuǎn)角度，那它是如何控制的呢？下面請同學(xué)們通過學(xué)習(xí)舵機的基本原理、硬件連接、控制應(yīng)用等知識，練習(xí)編寫單片機編程指令來實現(xiàn)舵機的控制吧知識目標1.了解舵機的基本原理。2.掌握舵機的硬件連接。3.掌握舵機的控制及應(yīng)用。項目五汽車電機系統(tǒng)控制項目五汽車電機系統(tǒng)控制舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，如圖5-1，主要是由外殼、電路板、無核心電動機、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機或者單片機發(fā)出信號給舵機，其內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心電動機開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回信號，判斷是否已經(jīng)到達定位。適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電動機停止轉(zhuǎn)動。一般舵機旋轉(zhuǎn)的角度范圍是0度到180度，如圖5-1。1.舵機的基本原理項目五汽車電機系統(tǒng)控制舵機有很多規(guī)格，但所有的舵機都有外接三根線，如圖5-2，分別用棕、紅、橙三種顏色進行區(qū)分，由于舵機品牌不同，顏色也會有所差異，棕色為接地線，紅色為電源正極線，橙色為信號線。項目五汽車電機系統(tǒng)控制舵機的轉(zhuǎn)動的角度是通過調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號的占空比來實現(xiàn)的，標準PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號的周期固定為20ms（50Hz），理論上脈寬分布應(yīng)在1ms到2ms之間，但是，事實上脈寬可由0.5ms到2.5ms之間，脈寬和舵機的轉(zhuǎn)角0°～180°相對應(yīng)，如圖5-3。有一點值得注意的地方，由于舵機牌子不同，對于同一信號，不同牌子的舵機旋轉(zhuǎn)的角度也會有所不同。項目五汽車電機系統(tǒng)控制2.舵機的應(yīng)用舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。在高檔遙控玩具，如飛機、潛艇模型，遙控機器人中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，如圖5-4所示。舵機是船舶上的一種大甲板機械。舵機的大小由外舾裝按照船級社的規(guī)范決定，選型時主要考慮轉(zhuǎn)矩大小。在航天方面，舵機應(yīng)用廣泛。航天方面，導(dǎo)彈姿態(tài)變換的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)運動都是靠舵機相互配合完成的。舵機在許多工程上都有應(yīng)用，不僅限于船舶。圖5-4

舵機的應(yīng)用3.舵機的控制學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)知識以后我們就可以來實際控制一個舵機，需要的實驗器件見表5-1。用Arduino

控制舵機的方法有兩種，一種是通過Arduino

的普通數(shù)字傳感器接口產(chǎn)生占空比不同的方波，模擬產(chǎn)生PWM信號進行舵機定位，第二種是直接利用Arduino

自帶的Servo函數(shù)進行舵機的控制，這種控制方法的優(yōu)點在于程序編寫，缺點是只能控制2路舵機，因為Arduino

自帶函數(shù)只能利用數(shù)字9.10接口。Arduino

的驅(qū)動能力有限，所以當(dāng)需要控制1個以上的舵機時需要外接電源。表5-1舵機實驗器件器件數(shù)量ArduinoUNO控制器1USB下載線1舵機1面包板1面包線3項目五汽車電機系統(tǒng)控制1）方法一：將舵機接數(shù)字

9接口上，如圖5-5所示編寫一個程序讓舵機轉(zhuǎn)動到用戶輸入數(shù)字所對應(yīng)的角度數(shù)的位置，并將角度打印顯示到屏幕上。參考程序A：（二維碼）圖5-5

舵機連線圖項目五汽車電機系統(tǒng)控制2）方法二：可以使用Arduino

自帶的Servo函數(shù)及其語句，先介紹一下舵機函數(shù)的幾個常用語句：①attach（接口）——設(shè)定舵機的接口，只有數(shù)字9或10接口可利用。②write（角度）——用于設(shè)定舵機旋轉(zhuǎn)角度的語句，可設(shè)定的角度范圍是0°到180°。③read（）——用于讀取舵機角度的語句，可理解為讀取最后一條write（）命令中的值。④attached（）——判斷舵機參數(shù)是否已發(fā)送到舵機所在接口。⑤detach（）——使舵機與其接口分離，該接口（數(shù)字9或10接口）可繼續(xù)被用作PWM接口。注意：以上語句的書寫格式均為“舵機變量名.具體語句（）”例如：myservo.attach（9）。仍然將舵機接在數(shù)字9接口上即可。參考程序B：（二維碼）以上就是控制舵機的兩種方法，各有優(yōu)缺點大家根據(jù)自己的喜好和需要進行選擇。項目五汽車電機系統(tǒng)控制表5-2

舵機實驗器件器件數(shù)量ArduinoUNO控制器1USB下載線1舵機1面包板1面包線3硬件連線如圖5-6所示。任務(wù)實施1：模擬汽車刮水器的控制完成汽車刮水器系統(tǒng)的控制，要求使用Arduino

UNO單片機連接1個舵機，使用舵機庫編程，使用數(shù)字IO端口9號控制舵機，要求每隔1s擺動一次，擺動范圍0度到90度。參考程序：（二維碼）任務(wù)實施2：模擬停車場抬桿器的控制完成停車場抬桿系統(tǒng)的控制，要求使用Arduino

UNO單片機連接由1個LED小燈和1個舵機組成停車場抬桿系統(tǒng)，使用舵機庫編程，使用數(shù)字IO端口9號控制舵機，使用數(shù)字IO口13號控制指示燈，要求通過串口給單片機發(fā)送1舵機轉(zhuǎn)到0度角時落桿且LED燈常亮，發(fā)送2舵機轉(zhuǎn)到90度角時抬桿且LED燈熄滅。參考程序：（二維碼）項目五汽車電機系統(tǒng)控制【課后作業(yè)】1.控制2個舵機，要求獨立完成繪制連線圖和硬件連接，初始時一個舵機在5度位置，一個舵機在85度，實現(xiàn)每隔1s2個舵機交換角度。2.控制2個舵機，要求獨立完成繪制連線圖和硬件連接，實現(xiàn)通過串口發(fā)送1控制一個舵機轉(zhuǎn)到45度位置，發(fā)送2轉(zhuǎn)到75度位置。發(fā)送2控制另一個舵機轉(zhuǎn)到15度位置，發(fā)送2轉(zhuǎn)到55度位置。項目五汽車電機系統(tǒng)控制學(xué)習(xí)任務(wù)19

N20電機的控制【任務(wù)描述】當(dāng)前汽車上的直流電機的應(yīng)用越來越多，許多汽車都安裝了不同規(guī)格的直流電機，但是這些直流電機是如何控制的呢？下面請同學(xué)們通過學(xué)習(xí)N20電機的基本原理、硬件連接、控制應(yīng)用等知識，練習(xí)編寫單片機編程指令來實現(xiàn)N20電機的控制吧！知識目標：1.了解直流電機的基本原理。2.掌握N20電機的硬件連接。3.掌握直流電機的控制及應(yīng)用。項目五汽車電機系統(tǒng)控制信息收集頁】1.直流電機的工作原理將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)動裝置。電動機定子提供磁場，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。根據(jù)是否配置有常用的電刷-換向器可以將直流電動機分為兩類，包括有刷直流電機和無刷直流電機。直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，如圖5-7，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉(zhuǎn)動。項目五汽車電機系統(tǒng)控制流電機的應(yīng)用（1）工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域

直流電機在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，主要用于各種機械設(shè)備的驅(qū)動，例如風(fēng)機、水泵、輸送機、磨床、銑床、鉆床等。直流電機具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定等特點，能夠滿足不同設(shè)備對電機的要求。此外，在一些工藝流程中，需要控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，直流電機特別適合這些需要可調(diào)速、可逆轉(zhuǎn)的場景。（2）家用電器領(lǐng)域

直流電機也被廣泛應(yīng)用于家用電器領(lǐng)域。例如，洗衣機、冰箱、風(fēng)扇等家電中都普遍使用直流電機。相比于交流電機，直流電機具有高效率、低噪音和長壽命等優(yōu)點。此外，由于直流電機可以進行調(diào)速，可以滿足不同家用電器對電機轉(zhuǎn)速的需求。（3）交通運輸領(lǐng)域

直流電機在交通運輸領(lǐng)域中也有重要應(yīng)用。例如，電動汽車、電動火車等交通工具中都需要使用電動機。直流電機在交通運輸領(lǐng)域中有著重量級應(yīng)用，因為其具有高功率密度、可靠性高和控制方便的優(yōu)勢。此外，電動汽車的普及也帶動了直流電機的需求增長。總之，直流電機是一種非常常見的電動機，在工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。直流電機具有高效率、可調(diào)速等特點，能夠滿足不同領(lǐng)域?qū)﹄姍C的需求。項目五汽車電機系統(tǒng)控制3.N20電機的控制L298PShield直流電機驅(qū)動器采用大功率電機專用驅(qū)動芯片L298P，可直接驅(qū)動2個直流電機，驅(qū)動電流達2A，電機輸出端采用8只高速肖特基二極管作為保護。該電路布線合理、均采用貼元件片，疊層設(shè)計可直接插接到Arduino上。L298PShield直流電機驅(qū)動器具有PWM調(diào)速模式和PLL鎖相環(huán)模式，使用跨接線切換。電機供電可使用Arduino

VIN輸入或驅(qū)動器上的接線柱輸入，使用跨接線切換，引腳和實物如圖5-8。圖5-8

L298PShield直流電機驅(qū)動器項目五汽車電機系統(tǒng)控制L298PShield直流電機驅(qū)動器技術(shù)參數(shù)：1）邏輯部分輸入電壓VD：5V。2）驅(qū)動部分輸入電壓VS：VIN輸入6.5~12V，PWRIN輸入4.8~35V。3）邏輯部分工作電流Iss：<36mA。4）驅(qū)動部分工作電流Io：<2A。5）最大耗散功率：25W（T=75℃）。6）控制信號輸入電平：高電平2.3V<Vin<5V

，低電平-0.3V<Vin<1.5V。7）工作溫度：-25＋130℃。8）硬件接口：5.0mm間距接線柱。9）帶固定扣，并可以通過排陣接入控制信號。10）驅(qū)動形式：雙路大功率H橋驅(qū)動。11）引腳占用：D10~D13直接驅(qū)動電機。12）支持PWM/PLL模式電機速度控制。13）尺寸：68*53mm。以N20為例，實驗控制兩個N20電機的速度和正反轉(zhuǎn)，實驗硬件見表5-3：表5-3

N20電機實驗器件器件數(shù)量ArduinoUNO控制器1USB下載線1N20電機2L298P驅(qū)動板19V電源1面包線6項目五汽車電機系統(tǒng)控制實驗如圖5-9連接電路。圖5-9

N20電機實驗連線圖根據(jù)上圖5-9的連線方法，可以控制M1和M2兩個直流電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止，以及PWM調(diào)速。參考程序：（二維碼）任務(wù)硬件見表5-4。表5-4

N20電機實驗器件器件數(shù)量ArduinoUNO控制器1USB下載線1N20電機2L298P驅(qū)動板19V電源1面包線6項目五汽車電機系統(tǒng)控制任務(wù)實施1：N20電機的控制完成2個N20電機的控制，要求使用Arduino

UNO單片機控制兩個電機同時正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速從0逐漸加到最快（漸變間隔30ms），并保持最快速度1s后，兩個電機同時反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速從0逐漸加到最快（漸變間隔30ms），并保持最快速度1s，如此反復(fù)。項目五汽車電機系統(tǒng)控制參考程序：intE1=10;

intM1=12;intE2=11;

intM2=13;

voidsetup（）{

pinMode（M1,

OUTPUT）;

pinMode（M2,

OUTPUT）;}voidloop（）{

for（intvalue=0;value<=255;value+=5）

{

digitalWrite（M1,HIGH）;

digitalWrite（M2,

HIGH）;

analogWrite（E1,

value）;

//PWM調(diào)速

analogWrite（E2,

value）;

//PWM調(diào)速

delay（30）;

delay（1000）;

for（intvalue=0;value<=255;value+=5）

{

digitalWrite（M1,LOW）;

digitalWrite（M2,

LOW）;

analogWrite（E1,

value）;

//PWM調(diào)速

analogWrite（E2,

value）;

//PWM調(diào)速

delay（30）;

}

delay（1000）;}項目五汽車電機系統(tǒng)控制【課后作業(yè)】控制2個N20電機，要求獨立完成繪制連線圖和硬件連接，實現(xiàn)1個電機正轉(zhuǎn)，另一個電機反轉(zhuǎn)，持續(xù)5s后2個電機停轉(zhuǎn)，再過5廟后之前正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)，持續(xù)5s后在同時停轉(zhuǎn)5s，如此循環(huán)。項目五汽車電機系統(tǒng)控制學(xué)習(xí)任務(wù)20

步進電機的控制【任務(wù)描述】步進電機在當(dāng)前汽車上應(yīng)用很多，大多數(shù)汽車都使用了步進電機，但是這些步進電機是如何工作的呢？下面請同學(xué)們通過學(xué)習(xí)步進電機的基本原理、硬件連接、控制應(yīng)用等知識，練習(xí)編寫單片機編程指令來實現(xiàn)汽車步進電機的控制吧！知識目標：1.了解步進電機的基本原理。2.掌握步進電機的硬件連接。3.掌握步進電機的控制及應(yīng)用。項目五汽車電機系統(tǒng)控制1.步進電機的基本原理步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。你可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時你也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而起動的，為了不發(fā)生失步，起動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉(zhuǎn)子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。項目五汽車電機系統(tǒng)控制步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，起動頻率越高，起動力矩就越小，帶動負載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進電機快速地達到所要求的速度又不失步或過沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進電機的運行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。步進電動機的結(jié)構(gòu)形式和分類方法較多，一般按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。以三相磁阻式步進電動機為例，它的定、轉(zhuǎn)子鐵心都由硅鋼片疊成。定子上有六個磁極，每兩個相對的磁極繞有同一相繞組，三相繞組接成星形作為控制繞組；轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，只有四個齒，齒寬等于定子極靴寬，如圖5-11。圖5-11三相磁阻步進電機結(jié)構(gòu)項目五汽車電機系統(tǒng)控制2.步進電機的應(yīng)用步進電機用于自動化生產(chǎn)設(shè)備和汽車儀表以及包裝、貼標、灌裝和切割等工業(yè)機器。它廣泛用于安全設(shè)備，如安全和監(jiān)控攝像頭。在醫(yī)療行業(yè)，步進電機廣泛應(yīng)用于樣品、數(shù)碼牙科攝影、呼吸器、流體泵、血液分析機械和醫(yī)療掃描儀等。它們用于圖像掃描儀、復(fù)印機和打印機中的消費電子產(chǎn)品，以及用于自動變焦和聚焦功能和位置的數(shù)碼相機。步進電機也用于電梯、傳送帶和車道轉(zhuǎn)向器。3.步進電機的控制本次實驗使用的步進電機，如圖5-12所示。該步進電機空載耗電在50mA以下，帶64倍減速器，輸出力矩比較大，可以驅(qū)動重負載，極適合開發(fā)板使用。注意此款步進電機帶有64倍減速器，與不帶減速器的步進電機相比，轉(zhuǎn)速顯得較慢，為方便觀察，可在輸出軸處粘上一片小紙板。使用步進電機前一定要仔細查看說明書，確認是四相還是兩相，各個線怎樣連接，本次實驗使用的步進電機是四相的，不同顏色的線定義如圖5-13所示，使用驅(qū)動板外形尺寸為31×35mm，如圖5-14。項目五汽車電機系統(tǒng)控制實驗用步進電機參數(shù)：直徑：28mm電壓：5V步進角度：5.625x1/64減速比：1/64注意：5線4相可以用普通uln2003芯片驅(qū)動，也可以接成2相使用。圖5-12

5V小步進電機

圖5-13

步進電機線序

本實驗使用旋鈕控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，設(shè)置旋轉(zhuǎn)一圈100步，速度為每min90步。參考程序：（二維碼）圖5-14

步進電機（五線四相）驅(qū)動板（UL2003）試驗板項目五汽車電機系統(tǒng)控制所需硬件元件見表5-5。表5-5

步進電機實驗器件器件數(shù)量ArduinoUNO控制器1USB下載線1步進電機1步進電機驅(qū)動板1面包板1面包線6硬件連接如圖5-15。

圖5-15

步進電機連線圖本實驗使用旋鈕控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，設(shè)置旋轉(zhuǎn)一圈100步，速度為每min90步。參考程序：（二維碼）項目五汽車電機系統(tǒng)控制任務(wù)實施：步進電機的控制完成步進電機的控制，要求使用Arduino

UNO單片機控制步進電機，要求設(shè)置一圈100步，速度每min90步，使用串口發(fā)送指令，發(fā)送1轉(zhuǎn)10步，發(fā)送2轉(zhuǎn)50步，發(fā)送3轉(zhuǎn)100步。參考程序：#include<Stepper.h>#defineSTEPS100Stepperstepper（STEPS,

8,

9,

10,

11）;intprevious=0;voidsetup（）{

stepper.setSpeed（90）;

Serial.begin（9600）；}voidloop（）{

intval=Serial.read（）;

if（val=='1'）

stepper.step（10）;

if（val=='2'）

stepper.step（50）;

if（val=='1'）

stepper.step（100）;}項目五汽車電機系統(tǒng)控制【課后作業(yè)】控制1個步進電機，要求獨立完成繪制連線圖和硬件連接，實現(xiàn)用1個觸點開關(guān)控制，當(dāng)按下開關(guān)時步進電機開始旋轉(zhuǎn)，不按不旋轉(zhuǎn)。項目五汽車電機系統(tǒng)控制【知識拓展】黨的二十大報告中明確提出，實現(xiàn)碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革。這是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局做出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構(gòu)建人類命運共同體的莊嚴承諾。隨著碳達峰碳中和進程穩(wěn)妥有序推進，綠色電力需求量將持續(xù)增加，電力邁入高速發(fā)展新時代，加快建設(shè)能源電力強國迎來良好機遇。多能互補，構(gòu)建多元化綠色低碳電源供應(yīng)結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)安全穩(wěn)定可靠的綠色電力供應(yīng)，需構(gòu)建新能源高占比逐步提升的新型電力系統(tǒng)。新能源從過去的補充性電源逐步成為提供電力電量的主體電源，將持