第8节 伺服电机（舵机）和步进电机

伺服电机和步进电机是常用到的2种模块，它们都可以看作是由马达派生出来的专门模块。

伺服电机利用马达的转动，加上一些辅助零部件，实现指定角度的转动-也就是说使用者告诉这个模块转动到哪个角度，伺服电机就会驱动转子，转动到指定的角度。它通常用于航空模型、汽车转向的角度控制；而且是来回的转动。

步进电机也是利用马达的转动原理，加上一些辅助部件，实现电机较为精确的转动（和之前直接驱动马达转动相比），比如控制转动的速度。

为了实现精确的转动，步进电机的每一圈被分成了很多小的步子，每走一步，就是转动一点点。通过控制走每一步的间隔时间来实现转动速度的精确控制。具体的物理原理就是改变马达中的磁力线圈极性来实现，这里搞不懂也没有关系。只要知道步进电机能实现转动速度的精确控制即可。

这两种电机，和之前认识的马达都可以实现转动，但是它们使用的场景是不太一样的：

• 马达：只负责转动，转动的快慢虽然说可以由电压大小调节，但是控制并不精确，转动的速度偏差可能很大；可以用来驱动玩具汽车；
• 伺服电机：可以根据设定的目标角度来实现转动，这个角度的控制是有反馈控制的，所以转动位置精确、细致，也就是说“从道理上讲，你应该转动过去了，并且实际上你也一定有转动到指定的位置，有检查手段来保证这点”；可以用来精确的控制方向转向；
• 步进电机：实现马达那样的持续转动，但是能更准确的实现对转动速度的控制。不过这种控制没有确认的机制，也就是说“从道理上讲，你应该转动过去了，但实际有没有转动到指定的位置，我就不确定了”；可以用来控制机器人的运动；

8.1 伺服电机

开发学习使用的伺服电机被称作SG90，它只有9g的重量，是使用最广泛的伺服电机。也有的说法将它称为舵机，并认为伺服电机和舵机是两种不同类型的模块。这里我们就忽略它们的不同，当作是同一类型的模块。

这个伺服电机有3根引脚，黄色的数据引脚，接了Arduino开发板的D9引脚。

将它与开发板连接如下图，

伺服电机的控制代码，如下：

//使用Arduino IDE集成的伺服电机核心库
#include <Servo.h>
int SERVO_PIN = 9;
//创建伺服电机
Servo myServo;
void setup() {
  //初始化控制伺服电机转动角度的引脚
  myServo.attach(SERVO_PIN);
}
void loop() {
  int pos = 0;
  // 伺服电机从0度逐渐转动到180度
  for (pos = 0; pos < 180; pos++) { 
    // 输入伺服电机转动到的角度值
    myServo.write(pos);              
    delay(15);                       
  }
  // 伺服电机从180度逐渐转动到0度
  for (pos = 180; pos >= 1; pos--) {
    myServo.write(pos);              
    delay(15);                       
  }
}

在以上代码中要注意：

1. myServo.attach(SERVO_PIN)用来设定控制转动角度大小的引脚；
2. myServo.write(pos)设定的是目的角度，而不是在当前状态下还要继续转动的角度；

8.2 步进电机

步进电机的原理就是马达转动的原理：

根据驱动转子极性的数量，有2相、4相、5相之分。

因此，要控制步进电机的转动，本质就是控制连接着这些转子引脚的电压方向。

步进电机需要使用额外的电机驱动板，比如我们之前介绍过的L298N电机驱动板。这一次，因为我们采用的步进电机不需要外接电源，Arduino开发板上的电源就够用了，所以选择另外一种电机驱动板，

电机驱动板和步进电机按照如下方式连接，

驱动板和Arduino板按照如下图方式连接。

步进电机的控制代码，如下：

//使用Arduino IDE集成的步进电机核心库
#include <Stepper.h>
//步进电机每转一圈，走多少步
const int stepsPerRevolution = 200;
//初始化步进电机
//我们使用的是4相步进电机，有4个输出控制
//指定控制马达转子的4个引脚
//指定步进电机的步伐解析度
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 10, 9, 11);
void setup() {
  //为步进电机的转动速度设置一个量，数值越大，每2步间隔的时间就越短
  //它的计算基准为：一分钟转一圈，每步的等待时间
  //这样的等待时间再除以设置的速度值，就是每一步的间隔时间
  myStepper.setSpeed(60);
}
void loop() {
  //步进电机移动一步
  //整数为正向转动
  //负数为反向转动
  myStepper.step(1);
}

在以上代码中要注意：

1. 初始化步进电机时Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 10, 9, 11);，第一个参数是旋转一圈要走多少步，这完全由开发者确定；后面的引脚分别连接的就是马达每个相位对应的引脚。我们的例子中采用的是四相位步进电机，如果采用五相位电机，初始化就可能是Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 10, 9, 12);；
2. Arduino这个步进电机的实现库，只支持到5相位步进电机；
3. myStepper.setSpeed(60);设置的数值越大，转动越快，但也不是能设置无限大，如果速度超出了硬件的能力范围，电机可能就会打滑不转了。另外，如果设置的值为1，那么电机的速度就是60秒刚好走完一圈的速度。因此以后设置这个参数的时候，可以把这个速度作为一个考虑的基准。