在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。

      舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
 

圖1  舵機(jī)的控制要求

     舵機(jī)的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。一般舵機(jī)的控制要求如圖1所示。

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制
     可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)來產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號，但FPGA成本高且電路復(fù)雜。對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號，這對運(yùn)放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會(huì)引起舵機(jī)的抖動(dòng)，對于機(jī)載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠(yuǎn)大于5mV，所以濾波電路的精度難以達(dá)到舵機(jī)的控制精度要求。

    也可以用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。

     單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。

     當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時(shí)中斷和一次長定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。

     具體的設(shè)計(jì)過程：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為18ms，再過18ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口改為高電平，并將定時(shí)器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)。

     為保證軟件在定時(shí)中斷里采集其他信號，并且使發(fā)生PWM信號的程序不影響中斷程序的運(yùn)行(如果這些程序所占用時(shí)間過長，有可能會(huì)發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數(shù)放在長定時(shí)中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms。軟件流程如圖2所示。

如圖2 產(chǎn)生PWM信號的軟件流程

     如果系統(tǒng)中需要控制幾個(gè)舵機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用單片機(jī)和計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生PWM信號。

     脈沖計(jì)數(shù)可以利用51單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，但是從軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序結(jié)構(gòu)的合理性看，宜使用外部的計(jì)數(shù)器，還可以提高CPU的工作效率。實(shí)驗(yàn)后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機(jī)，當(dāng)采用1MHz的外部晶振時(shí)，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會(huì)出現(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機(jī)的要求。最后考慮數(shù)字系統(tǒng)的離散誤差，經(jīng)估算誤差的范圍在±0.3%內(nèi)，所以采用單片機(jī)和8253、8254這樣的計(jì)數(shù)器芯片的PWM信號產(chǎn)生電路是可靠的。圖3是硬件連接圖。      基于單片機(jī)的舵機(jī)控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小的特點(diǎn)，并可根據(jù)不同的舵機(jī)數(shù)量加以靈活應(yīng)用。

      在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。

      舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
 

圖1  舵機(jī)的控制要求

     舵機(jī)的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。一般舵機(jī)的控制要求如圖1所示。

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制
     可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)來產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號，但FPGA成本高且電路復(fù)雜。對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號，這對運(yùn)放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會(huì)引起舵機(jī)的抖動(dòng)，對于機(jī)載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠(yuǎn)大于5mV，所以濾波電路的精度難以達(dá)到舵機(jī)的控制精度要求。

    也可以用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。

     單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。

     當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時(shí)中斷和一次長定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。

     具體的設(shè)計(jì)過程：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為18ms，再過18ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口改為高電平，并將定時(shí)器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)。

     為保證軟件在定時(shí)中斷里采集其他信號，并且使發(fā)生PWM信號的程序不影響中斷程序的運(yùn)行(如果這些程序所占用時(shí)間過長，有可能會(huì)發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數(shù)放在長定時(shí)中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms。軟件流程如圖2所示。

如圖2 產(chǎn)生PWM信號的軟件流程

     如果系統(tǒng)中需要控制幾個(gè)舵機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用單片機(jī)和計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生PWM信號。

     脈沖計(jì)數(shù)可以利用51單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，但是從軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序結(jié)構(gòu)的合理性看，宜使用外部的計(jì)數(shù)器，還可以提高CPU的工作效率。實(shí)驗(yàn)后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機(jī)，當(dāng)采用1MHz的外部晶振時(shí)，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會(huì)出現(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機(jī)的要求。最后考慮數(shù)字系統(tǒng)的離散誤差，經(jīng)估算誤差的范圍在±0.3%內(nèi)，所以采用單片機(jī)和8253、8254這樣的計(jì)數(shù)器芯片的PWM信號產(chǎn)生電路是可靠的。圖3是硬件連接圖。