如何用python控制伺服电机

使用Python控制伺服电机的方法有多种，包括通过PWM信号、使用专用的伺服电机控制器、通过串口通信等。 常见的方法是通过PWM信号，因为伺服电机的角度控制通常是通过PWM信号的占空比来实现的。具体步骤包括配置GPIO引脚、生成PWM信号、设定伺服电机的位置等。下面我们详细讲解其中一种方法，即通过PWM信号来控制伺服电机。

一、准备工作

在使用Python控制伺服电机之前，需要做一些准备工作：

硬件准备：你需要一块Raspberry Pi（或其他支持PWM输出的单板计算机）、伺服电机、面包板、跳线和电源。
软件准备：确保你的Raspberry Pi安装了Raspbian系统，并且安装了必要的Python库，如RPi.GPIO或gpiozero。

二、安装Python库

在Raspberry Pi上，RPi.GPIO和gpiozero是两个常用的库，用于控制GPIO引脚。你可以通过以下命令安装它们：

sudo apt-get update sudo apt-get install python3-rpi.gpio python3-gpiozero

三、配置GPIO引脚

在使用PWM控制伺服电机之前，首先需要配置GPIO引脚。以下是一个使用RPi.GPIO库的示例代码：

import RPi.GPIO as GPIO
import time
设置GPIO模式为BCM
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
设置伺服电机控制引脚
servo_pin = 18
GPIO.setup(servo_pin, GPIO.OUT)
设置PWM频率为50Hz
pwm = GPIO.PWM(servo_pin, 50)
启动PWM信号，初始占空比为0
pwm.start(0)
定义一个函数来控制伺服电机角度
def set_servo_angle(angle):
    duty = 2 + (angle / 18)
    GPIO.output(servo_pin, True)
    pwm.ChangeDutyCycle(duty)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(servo_pin, False)
    pwm.ChangeDutyCycle(0)
try:
    # 将伺服电机旋转到0度
    set_servo_angle(0)
    time.sleep(2)
    # 将伺服电机旋转到90度
    set_servo_angle(90)
    time.sleep(2)
    # 将伺服电机旋转到180度
    set_servo_angle(180)
    time.sleep(2)
finally:
    # 停止PWM信号
    pwm.stop()
    # 清理GPIO设置
    GPIO.cleanup()

四、理解PWM信号

PWM（脉宽调制）信号是控制伺服电机的关键。通过改变PWM信号的占空比，可以控制伺服电机的转动角度。一般来说，标准的伺服电机使用50Hz的PWM信号，其占空比在2%至12%之间变化，对应的角度范围为0度到180度。

0度：占空比约为2%。
90度：占空比约为7%。
180度：占空比约为12%。

五、使用GPIOZero库

GPIOZero库提供了更为简洁的API来控制伺服电机。以下是使用GPIOZero库的示例代码：

from gpiozero import Servo
from time import sleep
设置伺服电机控制引脚
servo = Servo(18)
try:
    while True:
        # 将伺服电机旋转到最小角度
        servo.min()
        sleep(2)
        # 将伺服电机旋转到中间角度
        servo.mid()
        sleep(2)
        # 将伺服电机旋转到最大角度
        servo.max()
        sleep(2)
except KeyboardInterrupt:
    print("Program stopped")

六、通过串口通信控制伺服电机

对于更为复杂的应用，尤其是需要通过远程控制伺服电机时，可以使用串口通信。以下是一个通过Python和串口通信控制伺服电机的示例代码：

import serial
import time
打开串口
ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 9600, timeout=1)
time.sleep(2)  # 给串口一些时间来初始化
def set_servo_angle(angle):
    # 将角度值发送到串口
    ser.write(str(angle).encode())
try:
    while True:
        # 将伺服电机旋转到0度
        set_servo_angle(0)
        time.sleep(2)
        # 将伺服电机旋转到90度
        set_servo_angle(90)
        time.sleep(2)
        # 将伺服电机旋转到180度
        set_servo_angle(180)
        time.sleep(2)
except KeyboardInterrupt:
    print("Program stopped")
finally:
    ser.close()

七、调试和优化

在实际应用中，可能会遇到各种各样的问题，如伺服电机抖动、角度不准确等。可以通过以下几种方法进行调试和优化：

检查接线：确保伺服电机的电源、地线和控制线连接正确。
调整占空比：根据伺服电机的规格，调整PWM信号的占空比。
添加延时：在改变伺服电机角度后添加适当的延时，确保伺服电机有足够的时间完成动作。
使用外部电源：伺服电机可能需要较大的电流，确保电源足够稳定。

八、实际应用示例

通过Python控制伺服电机可以实现各种实际应用，如机械臂、机器人、摄像头云台等。以下是一个机械臂控制的示例代码：

import RPi.GPIO as GPIO
import time
设置GPIO模式为BCM
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
设置伺服电机控制引脚
base_servo = 18
shoulder_servo = 23
elbow_servo = 24
GPIO.setup(base_servo, GPIO.OUT)
GPIO.setup(shoulder_servo, GPIO.OUT)
GPIO.setup(elbow_servo, GPIO.OUT)
设置PWM频率为50Hz
base_pwm = GPIO.PWM(base_servo, 50)
shoulder_pwm = GPIO.PWM(shoulder_servo, 50)
elbow_pwm = GPIO.PWM(elbow_servo, 50)
启动PWM信号，初始占空比为0
base_pwm.start(0)
shoulder_pwm.start(0)
elbow_pwm.start(0)
定义一个函数来控制伺服电机角度
def set_servo_angle(pwm, angle):
    duty = 2 + (angle / 18)
    GPIO.output(pwm, True)
    pwm.ChangeDutyCycle(duty)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(pwm, False)
    pwm.ChangeDutyCycle(0)
try:
    # 控制机械臂各个关节
    set_servo_angle(base_pwm, 0)
    set_servo_angle(shoulder_pwm, 45)
    set_servo_angle(elbow_pwm, 90)
    time.sleep(2)
    set_servo_angle(base_pwm, 90)
    set_servo_angle(shoulder_pwm, 90)
    set_servo_angle(elbow_pwm, 45)
    time.sleep(2)
    set_servo_angle(base_pwm, 180)
    set_servo_angle(shoulder_pwm, 135)
    set_servo_angle(elbow_pwm, 0)
    time.sleep(2)
finally:
    # 停止PWM信号
    base_pwm.stop()
    shoulder_pwm.stop()
    elbow_pwm.stop()
    # 清理GPIO设置
    GPIO.cleanup()

九、总结

通过Python控制伺服电机可以实现多种实际应用，从简单的角度控制到复杂的机械臂运动。关键在于理解PWM信号和GPIO引脚的配置，并根据具体应用需求选择合适的控制方法。在实际应用中，可能需要对代码进行调试和优化，以确保伺服电机的稳定运行。希望通过本文的介绍，能帮助你更好地掌握使用Python控制伺服电机的技巧。