舵机设计资料简介

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET. 舵机是一种位置伺服的驱动器。它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在微机电系统和航模中，它是一个基本的输出执行机构。1 舵机的工作原理 以日本本FUTTABAA-S330033型舵机机为例，图图1是FFUFAABA-S30003型型舵机的的内部电电路。 舵机的的工作原原理是：PWMM信号由由接收通通道进入入信号解解调电路路BA6668881。的的12脚脚进行解解调，获获得一个个直流偏偏置电压压。该直直流偏置置

2、电压与与电位器器的电压压比较，获获得电压压差由BBA66688的的3脚输输出。该该输出送送人电机机驱动集集成电路路BA666866，以驱驱动电机机正反转转。当电电机转速速一定时时，通过过级联减减速齿轮轮带动电电位器RR。，旋旋转，直直到电压压差为OO，电机机停止转转动。舵舵机的控控制信号号是PWWM信号号，利用用占空比比的变化化改变舵舵机的位位置。2 舵舵机的控控制方法法 标准的的舵机有有3条导导线，分分别是：电源线线、地线线、控制制线，如如图2所所示。 电源线线和地线线用于提提供舵机机内部的的直流电电机和控控制线路路所需的的能源电压通通常介于于466V，一一般取55V。注注意，给给舵机供供电

3、电源源应能提提供足够够的功率率。控制制线的输输入是一一个宽度度可调的的周期性性方波脉脉冲信号号，方波波脉冲信信号的周周期为220 mms(即即频率为为50 Hz)。当方方波的脉脉冲宽度度改变时时，舵机机转轴的的角度发发生改变变，角度度变化与与脉冲宽宽度的变变化成正正比。某某型舵机机的输出出轴转角角与输入入信号的的脉冲宽宽度之间间的关系系可用围围3来表表示。3 舵舵机控制制器的设设计(1)舵机控控制器硬硬件电路路设计 从上述述舵机转转角的控控制方法法可看出出，舵机机的控制制信号实实质是一一个可嗣嗣宽度的的方波信信号(PPWM)。该方方波信号号可由FFPGAA、模拟拟电路或或单片机机来产生生。采用

4、用FPGGA成本本较高，用用模拟电电路来实实现则电电路较复复杂，不不适合作作多路输输出。一一般采用用单片机机作舵机机的控制制器。目前采采用单片片机做舵舵机控制制器的方方案比较较多，可可以利用用单片机机的定时时器中断断实现PPWM。该该方案将将20mms的周周期信号号分为两两次定时时中断来来完成：一次定定时实现现高电平平定时TTh；一一次定时时实现低低电平定定时T11。Thh、T11的时间间值随脉脉冲宽度度的变换换而变化化，但，TTh+TT1=220mss。该方方法的优优点是，PPWM信信号完全全由单片片机内部部定时器器的中断断来实现现，不需需要添加加外围硬硬件。缺缺点是一一个周期期中的PPWM

5、信信号要分分两次中中断来完完成，两两次中断断的定时时值计算算较麻烦烦；为了了满足220mss的周期期，单片片机晶振振的频率率要降低低；不能能实现多多路输出出。也可可以采用用单片机机+82253计计数器的的实现方方案。该方案案由单片片机产生生计数脉脉冲(或或外部电电路产生生计数脉脉冲)提提供给882533进行计计数，由由单片机机给出882533的计数数比较值值来改变变输出脉脉宽。该该方案的的优点是是可以实实现多路路输出，软软件设计计较简单单；缺点点是要添添加l片片82553计数数器，增增加了硬硬件成本本。本文文在综合合上述两两个单片片机舵机机控制方方案基础础上，提提出了一一个新的的设计方方案，如

6、如图4所所示。 该方案案的舵机机控制器器以ATT89CC20551单片片机为核核心，5555构构成的振振荡器作作为定时时基准，单单片机通通过对5555振振荡器产产生的脉脉冲信号号进行计计数来产产生PWWM信号号。该控控制器中中单片机机可以产产生8个个通道的的PWMM信号，分分别由AAT899C20051的的P10PPl.77(122199引脚)端口输输出。输输出的88路PWWM信号号通过光光耦隔离离传送到到下一级级电路中中。因为为信号通通过光耦耦传送过过程中进进行了反反相，因因此从光光耦出来来的信号号必须再再经过反反相器进进行反相相。方波信信号经过过光耦传传输后，前前沿和后后沿会发发生畸变变，

7、因此此反相器器采用CCD4001066施密特特反相器器对光耦耦传输过过来的信信号进行行整形，产产生标准准的PWWM方波波信号。笔笔者在实实验过程程中发现现，舵机机在运行行过程中中要从电电源吸纳纳较大的的电流，若若舵机与与单片机机控制器器共用一一个电源源，则舵舵机会对对单片机机产生较较大的干干扰。因因此，舵舵机与单单片机控控制器采采用两个个电源供供电，两两者不共共地，通通过光耦耦来隔离离，并且且给舵机机供电的的电源最最好采用用输出功功率较大大的开关关电源。该该舵机控控制器占占用单片片机的个个SCII串口。串串口用于于接收上上位机传传送过来来的控制制命令，以以调节每每一个通通道输出出信号的的脉冲宽

8、宽度。MMAX2232为为电平转转换器，将将上位机机的RSS2322电平转转换成TTTL电电平。(2)实现多多路PWWM信号号的原理理 在模拟拟电路中中，PWWM脉冲冲信号可可以通过过直流电电平与锯锯齿波信信号比较较来得到到。在单单片机中中，锯齿齿波可以以通过对对整型变变量加11操作来来实现，如如图5所所示。假假定单片片机程序序中设置置一整型型变量SSawVVal，其其值变化化范围为为ONN。5555振荡荡电路产产生的外外部计数数时钟信信号输入入到ATT89CC20551的IINTOO脚。每每当在外外部计数数时钟脉脉冲的下下降沿，单单片机产产生外部部中断，执执行外部部中断IINT00的中断断服

9、务程程序。每每产生一一次外部部中断，对对SawwVall执行一一次加11操作，若若SawwVall已达到到最大值值N，则则对SaawVaal清OO。SaawVaal值的的变化规规律相当当于锯齿齿波，如如图5所所示。若若在单片片机程序序中设置置另一整整型变量量DuttyVaal，其其值的变变化范围围为ON。每每当在SSawVVal清清0时，DDulyyVall从上位位机发送送的控制制命令中中读入脉脉冲宽度度系数值值，例如如为H(0HHN)。若DDutyyVallSaawVaal，则则对应端端口输出出高电平平；若DDutyyVallSaawvaal，则则对应端端口输出出低电平平。从图图5中可可看出

10、，若若改变DDutyyVall的值，则则对应端端口输出出脉冲的的宽度发发生变化化，但输输出脉冲冲的频率率不变，此此即为PPWM波波形。 设外部部计数时时钟周期期为TIINT00，锯齿齿波周期期(PWWM脉冲冲周期)为TPPWM，PPWM脉脉冲宽度度占空比比为D，由由图5可可得出如如下关系系： 由式(3)可可知，PPWM波波形的周周期TPPWM一一旦确定定下来，只只须选定定计数最最大值NN，就可可以确定定外部时时钟脉冲冲所需周周期(频频率)。外外部时钟钟脉冲周周期TIINT00显然是是PWMM脉冲宽宽度变换换的最小小步距，即即调节精精度。由由式(44)可知知，N越越大，步步距所占占PWMM周期的

11、的百分比比越小，精精度越高高。例如如，若采采用8位位整型变变量，最最大值NN=288-1=2555，则精精度为11(2255+1)=12255；若采用用16位位整型变变量，最最大值NN=2116-11=6555355，则精精度为116555366。文中中计数变变量SaawVaal采用用8位整整型变量量，因此此N=2255。对对于一般般应用，其其精度已已足够。就就舵机而而言，要要求TPPWM=20mms，则则可算得得外部时时钟周期期为： 因此，设设计5555振荡荡电路时时，其输输出脉冲冲的频率率应为： 当有有多个变变量与SSawVVal比比较，将将比较结结果输出出到多个个端口时时。就形形成了多多

12、路PWWM波形形。各个个变量的的值可以以独立变变化，因因此各路路PWMM波形的的占空比比也可以以独立调调节，互互不相干干。多路路PWMM波形的的产生如如图6所所示。图图中以33路PWWM波形形为例。4 舵舵机控制制器软件件的设计计 舵机控控制器的的控制核核心为单单片机AAT899C20051。文文中，程程序用CC5l编编写，工工作方式式为前后后台工作作方式。单单片机程程序包括括系统初初始化程程序、串串口通信信程序、上上位机命命令解释释与PWWM脉宽宽生成程程序和多多路PWWM波形形输出程程序。串串行通信信程序和和多路PPWM波波形输出出程序采采用中断断方式。串串口通信信格式为为渡特率率9600

13、0bpps、88位数据据位、11位停止止位、无无校验、AASCIII码字字符通信信。串口口通信程程序用于于接收上上位机发发送过来来的控制制命令。控控制命令令采用自自定义文文本协议议，即协协议内容容全部为为ASCCII码码字符。通通信协议议格式如如图7所所示。 例如，要要控制通通道1的的PWMM脉宽，脉脉宽系数数为255，则通通信协议议内容为为“#”“1”“0”“2”“5”“!”这6个字符。这时通道l的PWM占空比为25256=O098。一个通道号对应一个PWM脉冲输出端口。本设计为8个通道，号码为l8，对应单片机的P1oP17。起始符和终止符起到帧同步的作用。串口通信程序流程如图8所示。 图8

14、中中，CHHNo存存放的是是PWMM通道号号ASCCII码码，Duutyll00、DDutyylO、DDuoyyl分别别存放的的是脉宽宽系数的的百位数数、十位位数和个个位数的的ASCCII码码(注意意，若高高位数为为O，则则该位的的字符应应为“00”，不不能省略略。如225，完完整字符符应为“OO”“22”“5”。CCharrNo为为信号量量，用于于对串口口接收的的字符顺顺序以及及串口中中断与上上位机命命令解释释程序之之间进行行同步。5 舵舵机控制制器实验验 图9为为舵机控控制板输输出的其其中一路路PWMM波形(带舵机机负载)。 从从图9中中可看出出，舵机机控制器器输出的的PWMM波形稳稳定、干干净，符符合设计计要求。6 结结论 本文提提出的多多路舵机机控制器器设计方方法，以以单片机机AT889C220511为核心心，由外外部振荡荡电路提提供PWWM脉冲冲的定时时基准，控控制部分分与舵机机驱动部部分由两两个电源源供电，两两者电气气隔离。这这种设计计方案的的优点是是：PPWM波波形由外外部振荡荡电路提提供定时时基准，与与单片机机内部振振荡器的的频率无无关，不不影响串串口通信信、定时时器等参参数的配配置。 PPWM波波形的调调整精度度可任意意确定。 本没计思路可应用于任意多路