利用MCS-51單片機(jī)PWM信號(hào)進(jìn)行舵機(jī)控制

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(jiǎn)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(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)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(hào)，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(guò)級(jí)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(hào)是PWM信號(hào)，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(lái)產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號(hào)，但FPGA成本高且電路復(fù)雜。對(duì)于脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號(hào)獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號(hào)，這對(duì)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(duì)于機(jī)載的測(cè)控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號(hào)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(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)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(hào)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(hào)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(duì)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(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號(hào)；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)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(zhǎng)定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(lái)，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)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(hào)，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(hào)，并且使發(fā)生PWM信號(hào)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(guò)長(zhǎng)，有可能會(huì)發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來(lái)的后果)，所以需要將采集信號(hào)的函數(shù)放在長(zhǎng)定時(shí)中斷過(guò)程中執(zhí)行，也就是說(shuō)每經(jīng)過(guò)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(hào)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(hào)。

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(lái)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(duì)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(hào)產(chǎn)生電路是可靠的。圖3是硬件連接圖。

圖3 PWA信號(hào)的計(jì)數(shù)和輸出電路

基于8253產(chǎn)生PWM信號(hào)的程序主要包括三方面內(nèi)容：一是定義8253寄存器的地址，二是控制字的寫(xiě)入，三是數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。軟件流程如圖4所示，具體代碼如下。
//關(guān)鍵程序及注釋：
//定時(shí)器T0中斷，向8253發(fā)送控制字和數(shù)據(jù)
void T0Int() interrupt 1
{
TH0 = 0xB1;
TL0 = 0xE0; //20ms的時(shí)鐘基準(zhǔn)
//先寫(xiě)入控制字，再寫(xiě)入計(jì)數(shù)值
SERVO0 = 0x30; //選擇計(jì)數(shù)器0，寫(xiě)入控制字
PWM0 = BUF0L; //先寫(xiě)低，后寫(xiě)高
PWM0 = BUF0H;
SERVO1 = 0x70; //選擇計(jì)數(shù)器1，寫(xiě)入控制字
PWM1 = BUF1L;
PWM1 = BUF1H;
SERVO2 = 0xB0; //選擇計(jì)數(shù)器2，寫(xiě)入控制字
PWM2 = BUF2L;
PWM2 = BUF2H;
}

圖4 基于8253產(chǎn)生PWA信號(hào)的軟件流程

當(dāng)系統(tǒng)的主要工作任務(wù)就是控制多舵機(jī)的工作，并且使用的舵機(jī)工作周期均為20ms時(shí)，要求硬件產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同。使用51單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)，一般工作正脈沖寬度小于周期的1/8，這樣可以在1個(gè)周期內(nèi)分時(shí)啟動(dòng)各路PWM波的上升沿，再利用定時(shí)器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時(shí)器中斷T1控制20ms的基準(zhǔn)時(shí)間。

第1次定時(shí)器中斷T0按20ms的 1/8設(shè)置初值，并設(shè)置輸出I/O口，第1次T0定時(shí)中斷響應(yīng)后，將當(dāng)前輸出I/O口對(duì)應(yīng)的引腳輸出置高電平，設(shè)置該路輸出正脈沖寬度，并啟動(dòng)第2次定時(shí)器中斷，輸出I/O口指向下一個(gè)輸出口。第2次定時(shí)器定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，將當(dāng)前輸出引腳置低電平，設(shè)置此中斷周期為20ms的1/8減去正脈沖的時(shí)間，此路PWM信號(hào)在該周期中輸出完畢，往復(fù)輸出。在每次循環(huán)的第16次(2×8=16)中斷實(shí)行關(guān)定時(shí)中斷T0的操作，最后就可以實(shí)現(xiàn)8路舵機(jī)控制信號(hào)的輸出。

也可以采用外部計(jì)數(shù)器進(jìn)行多路舵機(jī)的控制，但是因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的8253、8254芯片都只有3個(gè)計(jì)數(shù)器，所以當(dāng)系統(tǒng)需要產(chǎn)生多路PWM信號(hào)時(shí)，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達(dá)到較高的精度。調(diào)試時(shí)注意到由于程序中脈沖寬度的調(diào)整是靠調(diào)整定時(shí)器的初值，中斷程序也被分成了8個(gè)狀態(tài)周期，并且需要嚴(yán)格的周期循環(huán)，而且運(yùn)行其他中斷程序代碼的時(shí)間需要嚴(yán)格把握。

在實(shí)際應(yīng)用中，采用51單片機(jī)簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)控制需要的PWM信號(hào)。對(duì)機(jī)器人舵機(jī)控制的測(cè)試表明，舵機(jī)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，PWM占空比 (0.5～2.5ms 的正脈沖寬度)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角(-90°～90°)線性度較好。

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