利用單片機PWM信號進行舵機控制(圖)

  基于單片機的舵機控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小的特點，并可根據(jù)不同的舵機數(shù)量加以靈活應用。

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

   舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，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：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。
 

圖1  舵機的控制要求

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

單片機實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)角控制
   可以使用fpga、模擬電路、單片機來產(chǎn)生舵機的控制信號，但fpga成本高且電路復雜。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引起舵機的抖動，對于機載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠大于5mv，所以濾波電路的精度難以達到舵機的控制精度要求。

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

   單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產(chǎn)生基本的pwm周期信號，本設計是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬pwm信號的輸出，并且調(diào)整占空比。

   當系統(tǒng)中只需要實現(xiàn)一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。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。

   具體的設計過程：例如想讓舵機轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發(fā)送高電平，然后設置定時器在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，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復實現(xiàn)pwm信號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動。

   為保證軟件在定時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行(如果這些程序所占用時間過長，有可能會發(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)中需要控制幾個舵機的準確轉(zhuǎn)動，可以用單片機和計數(shù)器進行脈沖計數(shù)產(chǎn)生pwm信號。

   脈沖計數(shù)可以利用51單片機的內(nèi)部計數(shù)器來實現(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，宜使用外部的計數(shù)器，還可以提高cpu的工作效率。實驗后從精度上考慮，對于futaba系列的接收機，當采用1mhz的外部晶振時，其控制電壓幅值的變化為0.6mv，而且不會出現(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機的要求。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