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创客的电机 - 第 1 部分：Adafruit 套件解决了头部移动问题

作者： Clive "Max" Maxfield 2021-11-04

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工程

评估/开发工具

电机控制

机器人

机电

半导体与开发工具

我不得不承认，我目前发现自己遇上点儿麻烦了。这是因为我决定在我的几个业余爱好项目中加入运动功能，而我在电机和执行器的选择和部署方面还是新手。我也不知道如何确定诸如扭矩、传动比以及类似参数的来龙去脉。

我确实记得在大学期间为了完成学业听过这方面的一些讲座，但那是一个我们称之为 1970 年代末的黑暗时代，这在我生命历程中已是 40 多年前的事儿了。我有理由相信，教授们教给了我各种有用的东西，但是我担心在工作中我要消耗脑细胞了。

正如我常说的，“给我看一个闪烁的 LED，我就给你看一个流口水的人"（如果你愿意，可以叫我“守旧派”）。因此，我的第一个业余爱好项目会涉及到一个用三色 LED 做眼睛的机器人头。开始时我想制作一个物美价廉的（有人可能会说粗制滥造的）平台来玩玩，所以我的原材料只是木头和纸板，并且全部用热胶水固定。

有一段时间，马克斯的世界里一切都完美无缺（那里的蝴蝶更大、花儿更艳、鸟鸣更动听）。但后来我的一个朋友说，如果我在其中加入运动功能，效果会更棒。具体来说，他建议让机器人的眼睛左右转动，前后倾斜。此外，整个头部也能左右转动，前后倾斜。

所有这些都让不得不面对这样一个事实：当到了需要在各种类型的电机和执行器之间选择时，我整个人都蒙了。我相信自己能理解有刷直流电机、无刷三相电机、步进电机、伺服电机和线性执行器之间的高级区别，但我不太清楚面对各种应用时应该使用哪种电机，比如机器人头。

从伺服器开始

所有这些都需要进行一些研究，毫无疑问，这将是我以后的博客内容。同时，为了开始我们的游戏，我刚刚订购了两台 Adafruit 1967 小型摇摆/倾斜机器人套件（图 1）。

图 1：完全组装好的 1967 平移和倾斜套件配备了两个微型伺服器（SG-90 或 SG-92 型），使其能够从侧面平移 180°，上下倾斜 150°。（图片源：Adafruit）

现在，我知道我可以使用脉宽调制 (PWM) 技术直接通过微控制器的数字输出引脚来控制这些伺服器，但我总喜欢在微控制器和外界之间保持某种形式的隔离，即使这种隔离只是一个场效应晶体管 (FET) 而已。

假如我决定在最终成品中使用伺服电机，那么在充分的时间里，实现每只眼睛的控制需要至少两个伺服器，头部控制至少需要三或四个伺服器。因此，我决定购买 Adafruit 的 815 16 通道、12 位 PWM 驱动板（图 2）。

图 2：通过其 I2C 接口，只使用两个微控制器引脚，这个 16 通道的 PWM 板就可以用来控制 LED 和伺服电机。（图片源：Adafruit）

这块板子的好处在于它使用 I2C 接口控制，因此只需要连接微控制器的两个数字输出引脚。16 个 PWM 输出中的每一个都可以用来驱动一个 LED 或一台伺服电机。

无刷直流电动机

真是意想不到，我最近也开始思考另一个需要电机技术的项目。这一切都始于三、四年前，当时朋友送我一个以前超棒的可变电容器（图 3）。

图 3：这个可变电容器使用一组金属板构成固定的定子，与第二组金属板交错构成可动的转子，并以空气作为介质。（图片来源：Max Maxfield）

我悄悄地在谷歌上快速搜索了一下，发现空气介质可变电容器是由匈牙利工程师 Dezső Korda 发明的，他的发明在 1893 年获得了德国专利。

该器件结构巧妙，体积约 30 x 30 x 30 cm。器主要结构由不同的金属组成，形成电容器的结构通过绝缘玻璃隔板与框架实现了电隔离。我不知道他们是否还在生产这些东西（我不确定），但如果他们还在生产，我会心颤，谁知道新器件得多少钱啊？

我收到新器件时，朋友已把电容器安装在木底座上（我打算用更吸引人的东西取代它），我拆掉了器件的端部止动器，这样它就可以连续旋转 360°，然后增加了一个电机和传动带（如照片右下方所示）。

我很惭愧，这个大块头在过去几年里一直放在我办公室的书架上，已积满灰尘。几星期前我偶然瞥了一眼，心想：“我真的应该用它做点什么了。”

说实话，我认为应该没什么问题，直到我看了看里面的电机，发现它有三根电线。“天哪”，我想。于是我给朋友打电话，他确定这是一个 12 伏三相无刷电机。他说之所以使用这种电机是因为其工作时极其安静，电气噪声也极低。所以，现在我需要找到一些方法来控制这个小电机的速度和旋转方向。

总结

我知道我更喜欢积极参与的方式，并断定运动功能将在我未来的业余爱好项目中会占一席之地，所以我开始学习更多关于电机和执行器的知识。事实证明，Adafruit 的 1967 平移倾斜套件和 817 PWM 板在起步阶段非常有用，而且在未来的项目中也极有可能如此。

我也刚刚买了 Matthew Scarpino 所著的《创客的电机：步进器、伺服器和其他电气机械指南》。

我会在以后的博客中记录后续情况。那么，你现在有什么想法可以和大家分享吗？最后还是那句话，随时欢迎你们提出各种意见、问题和建议。

关于此作者

Clive "Max" Maxfield 于 1980 年在英国谢菲尔德哈兰大学获得控制工程理学学士学位，并开始了他的大型计算机中央处理器 (CPU) 设计职业生涯。多年来，Max 从事过从硅芯片到电路板，从脑电波放大器到蒸汽朋克幻想引擎（不要问）等各种产品的设计。同时，他还在电子设计自动化 (EDA) 的前沿领域浸淫 30 余载。

Max 是多本书籍的作者和/或合作者，包括《Designus Maximus Unleashed》（在阿拉巴马州被禁止）、《Bebop to the Boolean Boogie》（非常规电子指南）、《EDA: Where Electronics Begins》、《FPGAs: Instant Access》和《How Computers Do Math》。浏览他的“Max’s Cool Beans” 博客。