舵机设计资料简介

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FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。

舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA66881。的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路BA6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器R。，旋转，直到电压差为O，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。2舵机的控制方法标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2所示。

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms(即频率为50Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用围3来表示。3舵机控制器的设计(1)舵机控制器硬件电路设计从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号(PWM)。该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合作多路输出。一般采用单片机作舵机的控制器。目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利用单片机的定时器中断实现PWM。该方案将20ms的周期信号分为两次定时中断来完成：一次定时实现高电平定时Th；一次定时实现低电平定时T1。Th、T1的时间值随脉冲宽度的变换而变化，但，Th+T1=20ms。该方法的优点是，PWM信号完全由单片机内部定时器的中断来实现，不需要添加外围硬件。缺点是一个周期中的PWM信号要分两次中断来完成，两次中断的定时值计算较麻烦；为了满足20ms的周期，单片机晶振的频率要降低；不能实现多路输出。也可以采用单片机+8253计数器的实现方案。努该方案坏由单片机产授生计数脉冲他(或外部电州路产生计数珍脉冲)提供锤给8253帮进行计数，续由单片机给界出8253肠的计数比较迟值来改变输糊出脉宽。该突方案的优点删是可以实现适多路输出，男软件设计较格简单；缺点祥是要添加l奶片8253绸计数器，增参加了硬件成麻本。本文在秘综合上述两纳个单片机舵坊机控制方案运基础上，提条出了一个新中的设计方案梨，如图4所屑示。杂侨该方案的舵乏机控制器以抽AT忧89C银2051单裁片机为核心乐，555构国成的振荡器洗作为定时基执准，单片机音通过对55膀5振荡器产赤生的脉冲信内号进行计数搁来产生PW狗M信号。该党控制器中单醋片机可以产迅生8个通道夏的PWM信刊号，分别由津AT察89C点2051的事P1．0～悬Pl.7(柜12～19柴引脚)端口僻输出。输出搞的8路PW趟M信号通过袄光耦隔离传糟送到下一级机电路中。因原为信号通过复光耦传送过震程中进行了羽反相，因此派从光耦出来等的信号必须捎再经过反相逮器进行反相劳。翼方波信缝号经过光耦坊传输后，前伸沿和后沿会储发生畸变，拉因此反相器隆采用CD4接0106施压密特反相器丢对光耦传输对过来的信号请进行整形，窗产生标准的随PWM方波董信号。笔者核在实验过程羡中发现，舵污机在运行过遮程中要从电哑源吸纳较大叉的电流，若成舵机与单片住机控制器共纲用一个电源腾，则舵机会仰对单片机产痰生较大的干吗扰。因此，匀舵机与单片覆机控制器采绞用两个电源信供电，两者铁不共地，通拥过光耦来隔腊离，并且给专舵机供电的队电源最好采截用输出功率架较大的开关得电源。该舵给机控制器占唤用单片机的恶个SCI串倾口。串口用辩于接收上位萄机传送过来菜的控制命令购，以调节每添一个通道输码出信号的脉胀冲宽度。M编AX232寒为电平转换歌器，将上位莲机的RS2答32电平转豪换成TTL辛电平。店(2)汽实现多路P枕WM信号的纲原理私共在模拟受电路中，P糕WM脉冲信图号可以通过源直流电平与夫锯齿波信号疲比较来得到践。在单片机霞中，锯齿波坊可以通过对菜整型变量加丧1操作来实故现，如图5廉所示。假定互单片机程序偷中设置一整低型变量Sa杂wVal，特其值变化范漏围为O～N申。555振兆荡电路产生葱的外部计数予时钟信号输交入到AT8烤9C205览1的INT尽O脚。每当蝇在外部计数舒时钟脉冲的诊下降沿，单干片机产生外桂部中断，执企行外部中断汗INT0的滩中断服务程买序。每产生魄一次外部中洽断，对Sa遣wVal执题行一次加1图操作，若S欺awVal舞已达到最大容值N，则对渗SawVa庆l清O。S革awVal洋值的变化规剥律相当于锯闪齿波，如图掘5所示。若跌在单片机程指序中设置另想一整型变量纺DutyV沙al，其值关的变化范围证为O～N。经每当在Sa滤wVal清殊0时，Du伪lyVal绳从上位机发同送的控制命旺令中读入脉失冲宽度系数狸值，例如为码H(0≤H栽≤N)。若兔DutyV凯al≥Sa蓬wVal，泡则对应端口念输出高电平骡；若Dut咽yVal<巧Sawva围l，则对应哄端口输出低号电平。从图秆5中可看出雁，若改变D生utyVa株l的值，则拴对应端口输味出脉冲的宽剥度发生变化蜓，但输出脉炸冲的频率不尝变，此即为殊PWM波形究。钳虫设外部计数晌时钟周期为捕TINT0炮，锯齿波周凝期(PWM事脉冲周期)婆为TPWM冷，PWM脉狐冲宽度占空喊比为D，由楚图5可得出营如下关系：恶药由式(3)漆可知，PW塑M波形的周泰期TPWM惭一旦确定下亲来，只须选祸定计数最大棒值N，就可洒以确定外部棉时钟脉冲所臭需周期(频挑率)。外部责时钟脉冲周钥期TINT倘0显然是P雕WM脉冲宽湾度变换的最怨小步距，即顺调节精度。聋由式(4)浑可知，N越谋大，步距所徐占PWM周饶期的百分比爬越小，精度东越高。例如仙，若采用8插位整型变量赚，最大值N蔽=28-1菌=255，颠则精度为1澡／(255葵+1)=1筐／255；占若采用16朋位整型变量仇，最大值N府=216-叶1=655策35，则精渗度为1／6挥5536。架文中计数变地量SawV渡al采用8东位整型变量纳，因此N=助255。对移于一般应用宏，其精度已督足够。就舵咳机而言，要袖求TPWM帖=20ms坐，则可算得尸外部时钟周灶期为：均眨

因暂此，设计5的55振荡电齐路时，其输独出脉冲的频掀率应为：借筛拌当有多个变振量与Saw弓Val比较尖，将比较结采果输出到多辟个端口时。叔就形成了多浑路PWM波牵形。各个变抱量的值可以柏独立变化，沿因此各路P弄WM波形的锯占空比也可桂以独立调节皮，互不相干技。多路PW营M波形的产裹生如图6所乘示。图中以枯3路PWM露波形为例。霞己4舵机瞎控制器软件灵的设计接树舵机控脑制器的控制侦核心为单片捆机AT89扁C2051六。文中，程丧序用C5l垦编写，工作回方式为前后订台工作方式纺。单片机程坟序包括系统情初始化程序既、串口通信柴程序、上位处机命令解释秃与PWM脉享宽生成程序旷和多路PW蹲M波形输出剖程序。串行陶通信程序和烟多路PWM查波形输出程兼序采用中断攀方式。串口犹通信格式为任渡特率96吊00bps圣、8位数据协位、1位停蚂止位、无校钩验、ASC昂II码字符碍通信。串口漂通信程序用资于接收上位载机发送过来惰的控制命令搏。控制命令凡采用自定义繁文本协议，责即协议内容含全部为AS曲CII码字兴符。通信协柏议格式如图茎7所示。克定例如，要控芽制通道1的手PWM脉宽碍，脉宽系数污为25，则批通信协议内刃容为“#”史“平1”某“抛0”艇“党2”膝“轧5”会“!”这6谷个字符。这缺时通道l的规PWM占空刺比为25／突256=O玩．098。挺一个通道号铁对应一个P子WM脉冲输垄出端口。本站设计为8个倘通道，号码掘为l～8，觉对应单片机砍的P1．o予～P1．7猴。起始符和碌终止符起到割帧同步的作杀用。串口通弄信程序流程朽如图8所示标。速垃图8中，C童HNo存放赶的是PWM纺通道号AS煤CII码，赤Dutyl赶00、Du回tylO、延Duoyl姓分别存放的鸭是脉宽系数罢的百位数、牵十位数和个弓位数的AS窗CII码(下注意，若高岔位数为O，歇则该位的字他符应为“升0”蓬，不能省略粥。如25，光完整字符应忧为“O”“曾2”何“立5”挑。Char拥No为信号羽量，用于对胞串口接收的珍字符顺序以徒及串口中断捧与上位机命灶令解释程序钩之间进行同揪步。府柄5舵机疼控制器实验客越图9为稻舵机控制板室输出的其中存一路PWM蠢波形(带舵上机负载)。或

从古图9中可看够出，舵机控别制器输出的筝PWM波形轰稳定、干净揉，符合设计促要求。扯岔6结论料课本文提扑出的多路舵须机控制器设愚计方法，以衫单片机AT荣89C20竿51为核心狂，由外部振音荡电路提供责PWM脉冲偶的定时基准疮，控制部分咏与舵机驱动筹部分由两个歇电源供电，危两者电气隔币离。这种设目计方案的优游点是：习全

①P交WM波形由疯外部振荡电化路提供定时涛基准，与单劈片机内部振煤荡器的频率残无关，不影存响串口通信模、定时器等会参数的配置丈。喉陆②PWM波犬形的调整精护度可任意确偏定。德袍③本没计思耗路可应用于晕任意多路的莲PWM输出佣，只要单片四机能提供足巩够多的