编号：
课题：舵机角度控制电路设计
学院：XXXXXXXXXXXXX院
专业：自动化
学生姓名：XXXXXXXX
学号：XXXXXXXXXX
指导老师：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
职称：高级工程师
软件开发
2011 年09 月15日
摘要
在相当长的时间里，计算机作为科学工具，在科学技术的神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的实惠，进入21世纪后，由于电子技术的迅猛发展，新型电子产品的更新换代速度越来越快，以单片机为核心构成的智能化产品具有体积小、功能强、应用面广，使用灵活、价格便宜、工作可靠等优点，目前正以前所未有的速度取代着传统电子线路构成的经典系统。与单片机相结合，计算机才真正地走进寻常百姓之家，成为广大工程技术人员现代化技术革新、技术革命的有利武器。
本文针对舵机数字化控制器的设计，研究其硬件电路设计、软件程序设计和关键算法。
在分析舵机控制的性能要求和相关控制方法的基础上，提出了基于上位机和下位机的控制结构，通过串口通信传输数据和指令，从而实现舵机控制。
本设计以STC12C5A08S2单片机为核心，利用模拟舵机的机械部分，其中包括小型直流电机和一个反馈可调电位器，直流电机用H桥芯片LG9110来驱动，电位器进行角度测量，通过单片机的内部A/D转换来反馈实时角度，上位机通过RS232串口与单片机进行通信，舵机根据上位机所设定的角度，利用PWM信号驱动LG9110控制电动机转动，系统通过上位机来设置舵机地址、波特率、给定角度。经过实际调试验证，舵机角度在0度～180度范围内可由上位机设定，精度为正负1度，符合设计要求。
关键词：舵机；单片机；角度控制；PWM
目录
引言 (1)
1舵机控制系统概述 (1)
2 STC12C5A08S2单片机概述 (2)
2.1 STC12C5A08S2简介 (2)
2.2 STC12C5A08S2系列主要性能 (3)
2.3 A/D转换器 (3)
2.4 脉宽调制PWM原理 (3)
3串口通信 (5)
3.1 串口通信的作用 (5)
3.2 RS-232C接口和MAX232芯片简介 (5)
3.3 MAX232芯片引脚描述及其应用 (6)
4 驱动芯片 (8)
5 硬件设计思路 (9)
5.1 系统基本原理 (9)
5.2 系统硬件设计 (10)
6. 系统主程序 (10)
6.1 主程序设计要点 (10)
6.2 上位机 (11)
7.1 硬件调试 (11)
7.2 软件调试 (12)
参考文献 (12)
附录 (13)
引言
随着高新技术在测控领域中的应用，有力地促进了控制的系统化和精确化，然而，经典的反馈控制、现代控制和大系统理论在应用中遇到不少难题。首先，这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的系统数学模型的基础上的，但是各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳、定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型；其次，为了提高控制的性能，整个控制系统变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。
人工智能的出现和发展，促进了自动控制向更高的层次，即智能控制发展。基于单片机的智能控制系统，使得舵机等伺服系统的模块化和数字化更容易实现，极大的促进了控制精度、响应速度等控制要求的提高。
舵机作为一种伺服电机属于闭环控制系统，和一般的直流电机、交流电机相比具有较高的控制精度，步进电机虽然也具有一定的控制精度但仍然属于开环结构。于是舵机在机器人关节控制和航模转舵控制等需要精确控制而又没有很高载荷的系统中就显得十分经济实用，在航空航天仪器、雷达、导弹、智能自适应仪器、各种武器电子和抗恶劣环境电子等系统中也得到广泛应用。
1 舵机控制系统概述
舵机工作原理
舵机，又名伺服电机，主要是由外壳马达、减速齿轮和电位器构成。舵机主要适用于那些角度不断变化并可以保持的控制系统，比如人形机器人的手臂和腿，车模和航模的方向控制。
舵机工作原理：舵机本质上是可定位的马达，它的内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器和一块电子控制板。它是一个典型闭环反馈系统[1]，减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生调整脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令调整脉冲趋于为0，从而达到使舵机精确定位的目的。简单的说就是发一个控制信号给舵机，经过电路板判断转动方向，再驱动马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由电位器检测送回信号，判断是否已经达到指定位置。
数字舵机(Digital Servo)和模拟舵机(Analog Servo)在基本的机械结构方面是完全一样的，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成，而数字舵机和模拟舵机的最大区别
则体现在控制电路上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的多了微处理器和晶振。
相对于模拟舵机，数字舵机有如下优点：首先，驱动马达的动力，可以由微处理器的程序调整，以应用于不同的应用场合，并优化舵机性能。其次，舵机马达能以更高的频率响应控制信号，而且“死区”（无响应区）变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；运转精度以及舵机锁位能力也更强。
本设计就是利用模拟舵机的机械部分，运用单片机和电位器的闭环系统进行角度控制，采用电位器进行角度检测，由单片机对其进行处理，输出PWM脉冲信号控制舵机转动到所设定的角度。即将模拟舵机改装成数字舵机，实现了舵机的数字化控制。
2 STC12C5A08S2单片机概述
2.1STC12C5A08S2简介
新一代宏晶芯片具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D 转换，25万次/秒1T 8051带总线,无法解密,管脚直接兼容传统89C52,有全球唯一ID号可省复位电路,36-44个I/O内部R/C时钟的新一代宏晶芯片加密性强，解密难度高。
2.2STC12C5A08S2系列主要性能
●高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍
●宽电压：5.5～3.3V，2.2～3.6V（STC12LE5A60S2系列）
●增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能）●增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP
●低功耗设计：空闲模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一个中断唤醒）
●低功耗设计：掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒
●工作频率：0～35MHz，相当于普通8051：0～420MHz
●时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置
●8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
●1280字节片内RAM数据存储器
●芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上
●ISP / IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器
●8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用
●2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），---也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）
●4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器
●可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟
●硬件看门狗（WDT）
●高速SPI串行通信端口
●全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口
●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令
●通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA
2.3A/D转换器
特点：
⑴ 10 位精度
⑵ 0.5 LSB 的非线性度
⑶± 2 LSB 的绝对精度
⑷ 13 - 260 μs 的转换时间
⑸最高分辨率时采样率高达15 kSPS
⑹ 6 路复用的单端输入通道
⑺ 2 路附加复用的单端输入通道 (TQFP与 MLF封装 )
⑻可选的左对齐ADC读数
⑼ 0 - VCC 的 ADC输入电压范围
⑽可选的2.56V ADC参考电压
⑾连续转换或单次转换模式
⑿ ADC 转换结束中断
2.4脉宽调制PWM原理
本系统采用内部16位定时器T1来产生两路PWM信号。
16位的T/C可以实现精确的程序定时(事件管理)、波形产生和信号测量。其主要特点如下：
⑴真正的16位设计 (即允许 16 位的PWM)
⑵ 2 个独立的输出比较单元
⑶双缓冲的输出比较寄存器
⑷一个输入捕捉单元
⑸输入捕捉噪声抑制器
⑹比较匹配发生时清除寄存器( 自动重载)
⑺无干扰脉冲，相位正确的PWM
⑻可变的PWM周期
⑼频率发生器；外部事件计数器
⑽ 4 个独立的中断源(TOV1、OCF1A、OCF1B 与 ICF1)
寄存器：定时器 / 计数器 TCNT1、输出比较寄存器 OCR1A/B 与输入捕捉寄存器 ICR1 均为 16 位寄存器。访问 16 位寄存器必须通过特殊的步骤，T/C 控制寄存器 TCCR1A/B 为 8 位寄存器，没有 CPU 访问的限制。双缓冲输出比较寄存器 OCR1A/B 一直与 T/C 的值做比较。波形发生器用比较结果产生PWM或在输出比较引脚OC1A/B输出可变频率的信号。比较匹配结果还可置位比较匹配标志 OCF1A/B，用来产生输出比较中断请求。在 PWM 模式下用 OCR1A 作为 TOP 值时， OCR1A 寄存器不能用作 PWM 输出。但此时OCR1A 是双向缓冲的， TOP 值可在运行中得到改变。当需要一个固定的 TOP值时可以使用 ICR1寄存器，从而释放 OCR1A 来用作PWM输出。
工作模式：工作模式 - T/C 和输出比较引脚的行为 - 由波形发生模式 (WGM13:0) 及比较输出模式(COM1x1:0) 的控制位决定。比较输出模式对计数序列没有影响，而波形产生模式对计数序列则有影响。 COM1x1:0 控制 PWM 输出是否为反极性。非 PWM 模式时 COM1x1:0控制输出是否应该在比较匹配发生时置位、清零，或电平取反。
本设计采用相位修正PWM 模式。
相位修正 PWM 模式 (WGM13:0 = 1、 2、 3、10 或 11)为用户提供了一个获得高精度的、相位准确的 PWM 波形的方法。与相位和频率修正模式类似，此模式基于双斜坡操作。计时器重复地从 BOTTOM 计到 TOP，然后又从 TOP倒退回到 BOTTOM。在一般的比较输出模式下，当计时器往 TOP 计数时若 TCNT1 与 OCR1x 匹配，OC1x 将清零为低电平；而在计时器往 BOTTOM 计数时若 TCNT1 与 OCR1x 匹配， OC1x 将置位为高电平。工作于反向比较输出时则正好相反。与单斜坡操作相比，双斜坡操作可获得的最大频率要小。但其对称特性十分适合于电机控制。相位修正 PWM 模式的 PWM 分辨率固定为 8、9 或 10 位，或由 ICR1 或 OCR1A 定义。最小分辨率为2比特(ICR1或OCR1A 设为 0x0003)，最大分辨率为16位(ICR1或OCR1A设为 MAX)。 PWM 分辨率位数可用下式计算：工作于相位修正 PWM 模式时，计数器的数值一直累加到固定值 0x00FF、0x01FF、0x03FF (WGM13:0 = 1、 2或3)、ICR1 (WGM13:0 = 10)或OCR1A (WGM13:0 = 11)，然后改变计数方向。在一个定时器时钟里 TCNT1 值等于 TOP 值。具体的时序图为图2.2。图中给出了当使用OCR1A或ICR1来定义TOP值时的相位修正PWM模式。图中柱状的 TCNT1 表示这是双边斜坡操作。方框图同时包含了普通的 PWM 输出以及反向 PWM 输出。TCNT1 斜坡上的短水平线表示 OCR1x 和 TCNT1 的匹配比较。比较匹配后 OC1x 中断标志置位。
图2.2相位修正PWM模式时序图
3.串口通信
3.1串口通信的作用
系统需要接收上位机设置的角度的数据，并把下位机的数据传到上位机。因此串口模块的作用就是把单片机需要传送到上位机的数据转换成电脑的RS-232标准串口数据，以便把数据发送到上位机。
3.2 RS-232C接口和MAX232芯片简介
本系统串口通信模块设计采用的是MAX232芯片把单片机传来的数据转换成RS-232标准串口数据。以下对RS-232C接口和MAX232芯片做简要的介绍。
RS-232C的全称是“数据终端设备(DTE) 和数据通信设备(DCE) 之间的串行二进制数据交换接口技术标准”,适合于短距离通信或带调制解调器的通信应用场合.PC机上一般都会有RS-232C接口，MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的一款兼容RS232标准的芯片, 其结构图如图3.1所示。该器件包含2个驱动器2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成
TIA/EIA-232-F电平。
3.3 MAX232芯片引脚描述及其应用
MAX232芯片引脚图如图3.1所示：
图3.1 MAX232芯片引脚图
本系统数据的接收和发送引脚选用的是T21N,R21N,R2OUT,T2OUT四个引脚，其中T21N、R2OUT与标准的RS-232C接口相连。负责数据把转化好的数据传送到上位机；T2OUT、R21N与单片机相连，负责接收从单片机送来的数据。
3.3.1 MAX232应用电路介绍
MAX232 外围需要4个电解电容C1 、C2 、C3 、C4 ,是内部电源转换所需电容。其取值均为1μF/25V。宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。C5为0.1μF的去耦电容。如图3.2所示。但本设计均采用104电容。
图3.2 MAX232应用接口电路
图3.3串口模块原理图
3.3.2串口模块原理图设计
单片机要通过与MAX232芯片与上位机的串口相连才能与上位机通讯。单片机与上位机连接电路图如图3.3所示。
本系统是通过单片机的控制通过串口与PC通信来实现的，首先，串口的2，3脚与232芯片的任一路接收端和发送端相连；然后再通过对应路的发送端和接收端与单片机的对应RXD和TXD相连，再串口中断打开后发送和接收数据，实现串口异步通信。在异步传送方式中，字符是按帧格式进行发送的。异步通信的帧格式如表3.1所示。
表3.1异步通信的帧格式
起始位数据位校验位停止位
4.驱动芯片
电机驱动芯片LG9110
⑴低静态工作电流；
⑵宽电源电压范围：2.5V-12V；
⑶每通道具有800mA 连续电流输出能力；
⑷较低的饱和压降；
⑸ TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU；
⑹输出内置钳位二极管，适用于感性负载；
⑺控制和驱动集成于单片IC之中；
⑻具备管脚高压保护功能；
⑼工作温度：0℃-80℃。
LG9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片 IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个 TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过 750～800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。管脚定义如表4.1所示。
表4.1 LG9110管脚定义
图4.1 LG9110管脚波形图
图4.2 应用电路
5.硬件设计思路
5.1 系统基本原理
本文以STC12C5A80S2为核心，利用模拟舵机的机械部分，其中包括小型直流电机和一个反馈可调电位器，来组成一个闭环的舵机控制系统，直流电机用H 桥芯片LG9110来驱动，电位器进行角度测量，通过单片机的内部A/D 转换来反馈实时角度，上位机通过RS232串口与单片机进行通信，将所设定的角度送到单片机，单片机通过编程产生PWM 信号，经由LG9110驱动，控制电机的正反转。
整体电路原理框图如图5.1所示
图5.1整体电路原理框图
控制流程如下：
⑴上位机设定-90°到+90°之间的角度，通过串口发送到单片机；
⑵单片机读取角度v并将其转换成10位二进制数r；
⑶电位器测量当前角度，并将结果送到单片机的A/D转换通道进行转换，
转换结果为10为二进制数y;
5.2 系统硬件设计
图5.1 系统原理图
6. 系统主程序
系统硬件电路设计方案确定以后，主要功能将依赖于系统软件编程来实现。控制系统能否正常可靠地工作，除了硬件设计合理外，功能完善的软件设计是非常关键的。这一部分将详细阐述本设计方案所需实现的功能、系统软件资源分配，上位机的设计方案及具体实现方法。
6.1主程序设计要点
在论述具体的软件程序设计之前，先对软件设计的原则、方法等软件设计要点作简要的阐述，这是进行软件程序设计的依据和手段。
应用程序的主要设计原则是：
⑴软件设计与硬件电路设计需综合考虑。
⑵软件设计必须保证系统的各个硬件功能模块能够协调工作，完成指定的系统功能。
⑶各项功能程序设计实现模块化。
⑷合理规划程序存储区和数据存储区，为功能的扩展预留空间，方便今后系统的功能完善和软件升级。
⑸采取软件抗干扰措施，保证系统更可靠的运行。
6.2 上位机
目前，在许多单片机应用系统中，上、下位机分工明确，作为下位机核心器件的单
片机往往只负责数据采集和通信，而上位机通常以基于图形界面的Windows核心为操作平台，为便于查询和保存数据，还需要数据库的支持，这种应用的核心是数据通信，它
包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间以及客户端和客户端之间的通信，而单
片机和上位机之间数据通信则是整个系统的基础。
单片机和PC的通信是通过单片机和PC串口之间的硬件连接实现的。7.系统调试
7.1 硬件调试
由于本设计硬件比较简单，分两个模块：单片机模块和电平转换模块，所以硬件调试主要是单片机模块。
在电路制作完成后，不要急于上电测试，而首先必须做好以下调试前的检查工作。检查连线情况：
⑴经常碰到的有错接（即连线的一端正确，而另一端误接）、少接（指安装时漏
接的线）及多接（指在电路上完全是多余的连线），等连线错误。检查连线可以直接对照电路原理图进行，但若电路中布线较多，则可以以元器件（如运放、三极管）为中心，依次检察查其引脚的有关连线，这样不仅可以查出错接或少接的线，而且也较易发现多余的线。
⑵为确保连线的可靠，在查线的同时，还可以用万用表电阻档对接线作连通检查，
而且最好在器件外引线处测量，这样有可能查出某些“虚焊”的隐患。
⑶检查元器件焊接情况：元器件的检查，重点要查有极性的元件有否接错，以及外引线间有否短路，同时还须检查元器件焊接处是否可靠。这里需要指出，在焊接前，必须对元器件进行检测，确保元器件能正常工作，以免给调试带来不必要的麻烦。
⑷检查电源输入端与公共接地端间有否短路在通电前，还需用万用表检查电源输入端与地之间是否存短路，若有则须进一步检查其原因。
⑸在完成了以上各项检查并确认无误后，才可通电调试，但此时应注意电源的正、
负极性不能接反。
考虑到本设计只是一次学习过程，对性能要求不是很高，所以采用下载线的5V VCC 供电这样的方法，电路也尽可能的精简。
在检查驱动电路时，在未加单片机使能控制的情况下，通电待系统工作后，用万用表测量LG9110的1脚和4脚是否有输出。若输出电压大小不符合要求，则说明驱动芯片有问题。
若确定驱动电路无误，则对单片机使能，下载调试好的程序到单片机，使系统运行。用万用表检查单片机的各个引脚，尤其是PB1、PB2的PWM输出引脚的电压大小是否接近理论值，若不是或者没有输出，则直接给定该端口赋固定的位变量值，观察输出情况，符合要求，则说明是软件问题。具体调试见软件调试。
单片机输出符合要求后，连接上舵机，观察舵机是否在指定位置停住转动，若在指定位置左右来回转动，说明PD参数没调好；若舵机一直转到尽头停不下来则说明舵机反馈端断开，或者单片机读不到正确的A/D转换值。
综合调试过程中的各种问题后，在老师的指导下，最终得出期望的结果，调试成功。
7.2 软件调试
把调试好的程序下载到单片机中，接上电源，检验程序是否如自己所设计的那样可以实现所要求的功能。如果电路板上的结果和设想的不同，由于在硬件检查部分已经确定了硬件没问题。则应该是软件部分即程序方面的问题。需要检查程序。首先检外接收中断部分，接收到的数据是否能够正确读取，并转换成设定的角度值。接收部分没问题再检查T1定时器的设置，选用的频率、工作模式，PB1、PB2端口是否设置为输出。因为前面已经确定硬件没有问题了，所以，在软件调试的时候可以结合硬件来在线调试，这样很直观，而且发现问题也很容易，观察舵机是否还在所指定角度来回转动，耐心的调试，直到舵机准确的达到指定的角度并停止转动。
调试是整个设计的关键部分，调试的成功与否关系到系统运行的成功与否，所以在调试时要格外的细心和有耐心，在自己的努力和老师的指导下最终调试成功。
参考文献：
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[6] 李江全，朱东芹.Visual Basic数据采集与串口通信测控应用实战[M].北京：人民邮电出版社，
2010.
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
unchar sig=0, count,s1num, miao,shi,fen;
float flag=0,init=0,miao1=0,shi1=0,fen1=0, AD=0;
sbit rs=P3^2; //定义1602液晶RS端
sbit rw=P2^6;
sbit lcden=P3^3;//定义1602液晶LCDEN端
sbit s1=P2^3; //定义按键--功能键
sbit s2=P2^2; //定义按键--增加键
sbit s3=P2^1; //定义按键--减小键
sbit s4=P2^0; //确定键
uchar code table[]="true angle:";//定义初始上电时液晶默认显示状态
uchar code table1[]=" angle:";
void delay(uint z) //延时函数
{ uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=120;y>0;y--);
}
void PWM_init (void)
{ CMOD=0x80; //设置PCA定时器
CCON=0x00;
CL=0x00;
CH=0x00;
CCAPM0=0x42; //PWM0设置PCA工作方式为PWM方式（0100 0010）CCAP0L=0x00; //设置PWM0初始值与CCAP0H相同
CCAP0H=0x00; // PWM0初始时为0
CCAPM1=0x42; //PWM1设置PCA工作方式为PWM方式（使用时删除//）CCAP1L=0x00; //设置PWM1初始值与CCAP0H相同
CCAP1H=0x00; // PWM1初始时为0
CR=1; //启动PCA定时器
}
void PWM0_set (unsigned char a,unsigned char b)
{ CCAP0L= a; //设置值直接写入CCAP0L
CCAP0H= a; //设置值直接写入CCAP0H
CCAP1L= b; //设置值直接写入CCAP0L
CCAP1H= b; //设置值直接写入CCAP0H
}
void ad_init() //AD初始化函数
{ ADC_CONTR|=0x80;//开A/D电源
delay(100); //必要的延时
P1ASF=0x01;//P1.0作为模拟量输入口
delay(100); //必要的延时
ADC_CONTR=0xc0;//开A/D电源
delay(100);
}
void con_init(void)
{ SCON = 0x5a; PCON=0X80; //8 bit data ,no parity bit TMOD = 0x20; //T1 as 8-bit auto reload
TH1 = TL1 = -13; //Set Uart baudrate
TR1 = 1;
}
void SendData(char dat)
{ TI = 0; //Clear TI flag
SBUF = dat;
while (!TI); //Wait for the previous data is sen }
RecData(void)
{ int dat;
while (!RI); //Wait for the previous data is sen RI = 0; //Clear TI flag
dat =SBUF ;
return dat; //Send current data
}
void write_com(uchar com)//液晶写命令函数
{ rw=0;
rs=0;
lcden=0;
P0=com;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}
void write_date(uchar date)//液晶写数据函数
{ rw=0;
rs=1;
lcden=0;
P0=date;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}
void write_sfm(uchar add,uchar date)//写时分秒函数
{ uchar ge;
ge=date;
write_com(0x80+0x40+add);//设置显示位置
write_date(0x30+ge); //送去液晶显示个位
}
void lcdinit()//初始化函数
{ uchar num;
lcden=0;
rw=0 ;
fen=0; //初始化种变量值
miao=0;
shi=0;
count=0;
s1num=0;
write_com(0x38);//初始化1602液晶
write_com(0x0c);
write_com(0x06);
write_com(0x01);
write_com(0x80);//设置显示初始坐标
for(num=0;num<11;num++)//显示年月日星期
{ write_date(table[num]);
delay(5);
}
write_com(0xc0);//设置显示初始坐标
for(num=0;num<11;num++)//显示年月日星期
{ write_date(table1[num]);
delay(5);
}
write_sfm(14,miao);//分别送去液晶显示
write_sfm(13,fen);
write_sfm(12,shi);
}
void keyscan()//按键扫描函数
{ if(s1==0)
{ delay(5);
if(s1==0)//确认功能键被按下
{ s1num++;//功能键按下次数记录
while(!s1);//释放确认
if(s1num==1)//第一次被按下时
{ write_com(0x80+0x40+14);//光标定位到秒位置
write_com(0x0f); //光标开始闪烁
}
if(s1num==2)//第二次按下光标闪烁定位到分钟位置
{ write_com(0x80+0x40+13);
}
if(s1num==3)//第三次按下光标闪烁定位到小时位置
{ write_com(0x80+0x40+12);
}
if(s1num==4)//第四次按下
{ s1num=0;//记录按键数清零
write_com(0x0c);//取消光标闪烁
}
}
}
if(s1num!=0)//只有功能键被按下后，增加和减小键才有效
{ if(s2==0)
{ delay(5);
if(s2==0)//增加键确认被按下
{ while(!s2);//按键释放
if(s1num==1)//若功能键第一次按下
{ miao++; //则调整秒加1
if(miao==10)//若满60后将清零
miao=0;
write_sfm(14,miao);//每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+14);//显示位置重新回到调节处}
if(s1num==2)//若功能键第二次按下
{ fen++;//则调整分钟加1
if(fen==10)//若满60后将清零
fen=0;
write_sfm(13,fen);//每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+13);//显示位置重新回到调节处}
if(s1num==3)//若功能键第三次按下
{ shi++;//则调整小时加1
if(shi==2)//若满24后将清零
shi=0;
write_sfm(12,shi);;//每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+12);//显示位置重新回到调节处}
}
}
if(s3==0)
{ delay(5);
if(s3==0)//确认减小键被按下
{ while(!s3);//按键释放
if(s1num==1)//若功能键第一次按下
{ miao--;//则调整秒减1
if(miao==-1)//若减到负数则将其重新设置为59
miao=9;
write_sfm(14,miao);//每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+14);//显示位置重新回到调节处}
if(s1num==2)//若功能键第二次按下
{ fen--;//则调整分钟减1
if(fen==-1)//若减到负数则将其重新设置为59
fen=9;
write_sfm(13,fen);//每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+13);//显示位置重新回到调节处}
if(s1num==3)//若功能键第二次按下
{ shi--;//则调整小时减1
if(shi==-1)//若减到负数则将其重新设置为23
shi=1;
write_sfm(12,shi);//每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+12);//显示位置重新回到调节处}
}
}
}
}
void write_sfm1(uchar add1,uchar date1)
{ uchar ge1;
ge1=date1;
write_com(0x80+add1);
write_date(0x30+ge1);
}
void sfm1(float x)
{ int n;
n=x;
shi1=n/100;
fen1=n/10%10;
miao1=n%10;
write_sfm1(12,shi1);//分别送去液晶显示
write_sfm1(13,fen1);
write_sfm1(14,miao1);
}
void main()//主函数
{
int temp=0;
lcdinit();//首先初始化各数据
PWM_init(); //PWM初始化
ad_init();
con_init() ;
1076 计算机测量与控制.2010.18(5) Computer Measurement &Control 控制技术 收稿日期:2009-09-27; 修回日期:2009-11-09。 作者简介:杨百平(1982-),男,陕西人,在读研究生,主要从事电路系统与自动控制方向的研究。 杨金孝(1964-),男,陕西人,副教授,主要从事电子电路的研究与设计、控制理论与控制工程方向的研究。 文章编号:1671-4598(2010)05-1076-03 中图分类号:T P274 5 文献标识码:A 无人机舵机控制系统的硬件设计与实现 杨百平,杨金孝,赵 强 (西北工业大学电子信息学院,陕西西安 710129) 摘要:给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人机全数字舵机控制系统硬件实现方案,该方案以STM 32F103VB 作为主控芯片,无刷直流电机作为该系统的伺服电机,采用三闭环的控制策略,实现了脉宽调制(PWM )控制信号的采样和输出,通过采样PW M 信号实现舵机的控制,针对无人机对数据传输实时性的要求,利用CAN 总线与上位机通讯,很好地满足了要求;该系统具有成本低廉、安全可靠且实现容易的特点,实现了舵机控制系统的数字化与小型化;经多次试验,证明是安全实用的。 关键词:S TM 32F103VB 微控制器;无人机;伺服;电动舵机 Hardware Design and Implementation for a S ervo System of UAV Rudder Yang Baiping ,Yang Jinxiao,Zhao Qiang (Colleg e of Electr onics and Infor mat ion,No rthw ester n P olytechnical U niver sity,Xi an 710129,China) Abstract:A set of fu lly-digital-signal ser vo system bas ed on S TM 32F103VB for UAV electrom echanical rudder is in tr odu ced in th is paper.It takes S TM 32F103VB as the master control unit and bru shless DC m otor as its drive.T his project uses the digital th ree clos ed-loop control strategy,sampled and gen erated puls e width modulation w ave,through sampling one of th e PW M w aves to realize control tran sfer,in view of U AV to data transmis sion tim elin es s r equest,com municated w ith upper sys tem by CAN bu s.It featu red low cos t,s afe,easy to realize,made it smaller and digital,and w as testified that the sy stem is ap plicable and safety. Key words :S TM 32F103VB M CU;UAV;servo;electr om ech anical rudder 0 引言 舵机控制系统是飞行控制计算机和舵机之间的接口,它采集接收机多路PW M 信号,与上位机进行通讯,产生控制舵机的PW M 信号,是舵机系统的核心部分。现有的舵机伺服控制线路大部分还都是模拟的,因其固有的一些缺点而限制了它的使用,相比之下,数字舵机系统具有很多模拟式舵机所没有的优点。本文给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人飞行器舵机伺服控制系统,具有高性能、低功耗、低成本、安全可靠和实现容易的特点,可在线编程并成功应用于实践。 1 系统综述 舵机主要是由无刷电机、舵机控制器、舵机机械结构和传感器4部分组成。其中舵机控制器又包括:数据接口部分、中央控制单元、逻辑单元、隔离放大部分与功率驱动模块。一般舵机的工作过程如下:首先由上位机给出一舵偏角指令,舵机控制器接受该指令后与检测得到的实际舵面偏转角送入舵面位置调节单元从而得到参考P WM 占空比A;然后测量实际转速,当速度大于预设值时输出一给定PW M 占空比B;最后检测实际电流,当电流大于电流预设值时,输出另一给定的PWM 占空比C [1]。无刷直流电机中的H A LL 传感器检测转子位置,产生H A ,H B,H C 三相霍尔信号,H A 、HB 、H C 、和ST M 32输出的P WM 波和电机换相信号逻辑综合得到6路电机控制信号驱动电机转动 [2] 。电机输出轴连接精密减速器和 各种传感器,减速器输出驱动舵面。系统实现图如图1所示。 图1 系统组成结构图 2 舵机控制器的硬件组成 舵机控制器的硬件由图2中框线部分组成,该控制器以ST M 32F103V B 为核心。整个系统的硬件设计主要由ST M 32F103V B 工作电路、可编程逻辑电路、隔离及驱动电路、检测信号处理电路、A D 转换电路、数据接口电路及温度检测电路等部分组成。在系统中ST M 32F103V B 通过其自身的CA N 总线控制器与上位机进行数据传输,并使用自身集成的A D 转换器和内置通用定时器实时监测舵机位置、转速和电流等参数。 控制器根据内置的控制算法进行位置环、速度环和电流环计算,并产生控制数据,控制数据通过转换算法产生控制量(PW M 信号和DI R 信号),控制量进入逻辑阵列CPL D 与无刷电机位置传感器信号(H A L L 信号)进行逻辑综合后,输出6路电机控制信号。电机控制信号经隔离电路后控制电机功率驱动模块进行功率放大,驱动无刷电机运行。2 1 主控芯片STM32F 103VB [3] ST M 32F103VB 是意法半导体(ST )公司推出的基于A RM 32位CORT EX -M 3CPU ,是目前性能比较突出的微处理器之一,其增强型系列特别适合做电机控制。它的主要特点如下:
目录 一．舵机PWM信号介绍 (1) 1．PWM信号的定义 (1) 2．PWM信号控制精度制定 (2) 二．单舵机拖动及调速算法 (3) 1．舵机为随动机构 (3) （1）HG14-M舵机的位置控制方法 (3) （2）HG14-M舵机的运动协议 (4) 2．目标规划系统的特征 (5) （1）舵机的追随特性 (5) （2）舵机ω值测定 (6) （3）舵机ω值计算 (6) （4）采用双摆试验验证 (6) 3．DA V的定义 (7) 4．DIV的定义 (7) 5．单舵机调速算法 (8) （1）舵机转动时的极限下降沿PWM脉宽 (8) 三．8舵机联动单周期PWM指令算法 (10) 1．控制要求 (10) 2．注意事项 (10) 3．8路PWM信号发生算法解析 (11) 4．N排序子程序RAM的制定 (12) 5．N差子程序解析 (13) 6．关于扫尾问题 (14) （1）提出扫尾的概念 (14) （2）扫尾值的计算 (14)
一．舵机PWM 信号介绍 1．PWM 信号的定义 PWM 信号为脉宽调制信号，其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时间宽度。具体的时间宽窄协议参考下列讲述。我们目前使用的舵机主要依赖于模型行业的标准协议，随着机器人行业的渐渐独立，有些厂商已经推出全新的舵机协议，这些舵机只能应用于机器人行业，已经不能够应用于传统的模型上面了。 目前，北京汉库的HG14-M 舵机可能是这个过渡时期的产物，它采用传统的PWM 协议，优缺点一目了然。优点是已经产业化，成本低，旋转角度大（目前所生产的都可达到185度）；缺点是控制比较复杂，毕竟采用PWM 格式。 但是它是一款数字型的舵机，其对PWM 信号的要求较低： （1） 不用随时接收指令，减少CPU 的疲劳程度； （2） 可以位置自锁、位置跟踪，这方面超越了普通的步进电机； 其PWM 格式注意的几个要点： （1 ） 上升沿最少为0.5mS ，为0.5mS---2.5mS 之间； （2） HG14-M 数字舵机下降沿时间没要求，目前采用0.5Ms 就行；也就是说PWM 波形 可以是一个周期1mS 的标准方波； （3） HG0680为塑料齿轮模拟舵机，其要求连续供给PWM 信号；它也可以输入一个周 期为1mS 的标准方波，这时表现出来的跟随性能很好、很紧密。
舵机控制实验 舵机是一种位置伺服的驱动器，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。一般舵机旋转的角度范围是0 度到180 度。 舵机有很多规格，但所有的舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，由于舵机品牌不同，颜色也会有所差异，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。
舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms （50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms 之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms 到2.5ms 之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。 了解了基础知识以后我们就可以来学习控制一个舵机了，本实验所需要的元器件很少只需要舵机一个、跳线一扎就可以了。 RB—412 舵机*1 面包板跳线*1 扎 用Arduino 控制舵机的方法有两种，一种是通过Arduino 的普通数字传感器接口产生占空比不同的方波，模拟产生PWM 信号进行舵机定位，第二种是直接利用Arduino 自带的Servo 函数进行舵机的控制，
3.舵的性能设计 设计船主尺度为Lbp=138.7m ， B=25.1m ，设计吃水d=6.2m ，Cb=0.7893;单螺旋桨直径D=4.10m,轴线离基线高2.35m ，桨推力387000N ，设计速度V=13Kn 。要求设计桨后的单舵，并计算舵机功率。 3.1.确定舵面积 按村桥-山田图谱决定舵面积比μ， 3.2B p C B d ==,20.09k d L ==, 从图中查得μ=0.0186,则舵面积为215.96R A m =，结合本船尾部线型，舵轴线自船体壳板到基线距离为5.68m,舵托高0.3m 左右，若舵下缘离基线0.37m,舵上缘离船体壳板0.26m,舵高h 可取 5.05m ，查询资料，取平衡比0.268e =则舵宽 3.16R b A h m ==,展弦比1.60h λ==，若再增大舵面积，势必增加b ，λ还要减小，是不利的。所以确定舵面积为15.96㎡。考虑到舵杆直径因素，采用NACA0018剖面。此时桨尾流内舵面积 112.956R A =㎡，即10.81R R A A η==。 平衡比e 的大致范围 方形系数CB 平衡比e 0.60.70.8 0.25—0.260.26—0.270.27—0.28 3.2．舵力及舵机功率计算 3.2.1.单独舵舵力 考虑到舵杆直径因素，采用NACA0018剖面。根据NACA0018试验资料使用普兰特（Prandtl ）公式换算： 2 1212122121212157.311116, 1.60,,,,Y y y p p x x C y C C C C C C C λλααπ λλπλλ???? =====+ ?-=+ ?- ? ????? 列表计算见表如： α105101520253035CY 00.240.470.710.91.13 1.32 1.42CX1 00.010.040.130.30.460.73 1.01α105101520253035CX200.01940.0760.2120.40.67 1.02 1.34CN2 00.24060.4740.73911.31 1.661.949α2 07.007313.9320.942834.54146.88λ1=6的试验数据λ2=1.60的换算结果 连成曲线后，在图标从新上读取λ2=1.60的NACA0018的数据
DIYer修炼：舵机知识扫盲 双向电梯 ? 1 简介 ? 2 舵机的结构和原理 ? 3 选择舵机 ? 4 舵机的支架和连接装置 ? 5 如何控制舵机 ? 6 舵机应用：云台网络摄像头 ?7 如何DIY连续旋转的舵机 ?8 连续旋转舵机的应用：5分钟的绘图机器人 1 简介 舵机控制的机器人 ● 我猜你肯定在机器人和电动玩具中见到过这个小东西，至少也听到过它转起来时那与众不同的“吱吱吱”的叫声。对，它就是遥控舵机，常用在机器人技术、电影效果制作和木偶控制当中，不过让人大跌眼镜的是，它竟是为控制玩具汽车
和飞机才设计的。 ● 舵机的旋转不像普通电机那样只是古板的转圈圈，它可以根据你的指令旋转到0至180度之间的任意角度然后精准的停下来。如果你想让某个东西按你的想法运动，舵机可是个不错的选择，它控制方便、最易实现，而且种类繁多，总能有一款适合你呦。 ● 用不着太复杂的改动，舵机就可摇身一变成为一个高性能的、数字控制的、并且可调速的齿轮电机。在这篇文章中，我会介绍舵机使用的的一些基础知识以及怎样制作一个连续运转舵机。 2 舵机的结构和原理
A.标准舵机图解 ● 遥控舵机（或简称舵机）是个糅合了多项技术的科技结晶体，它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成，是一套自动控制装置，神马叫自动控制呢？所谓自动控制就是用一个闭环反馈控制回路不断校正输出的偏差，使系统的输出保持恒定。我们在生活中常见的恒温加热系统就是自动控制装置的一个范例，其利用温度传感器检测温度，将温度作为反馈量，利用加热元件提输出，当温度低
于设定值时，加热器启动，温度达到设定值时，加热器关闭，这样不就使温度始终保持恒定了吗。 B.闭环反馈控制 ● 对于舵机而言呢，位置检测器是它的输入传感器，舵机转动的位置一变，位置检测器的电阻值就会跟着变。通过控制电路读取该电阻值的大小，就能根据阻
舵机控制程序 Final revision on November 26, 2020
在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，
获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，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。一般舵机的控制要求如图1所示。 图1 舵机的控制要求 单片机实现舵机转角控制 可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件 的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV 以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都
远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。 也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。 具体的设计过程： 例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms- 2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后
2018年第46卷第10期 D 驱动控制rive and control 李红燕等 无人机用电动舵机控制系统设计 85 收稿日期:2018-05-08 基金项目:2017年度院级课题资助项目(JATC17010101) 无人机用电动舵机控制系统设计 李红燕1,和 阳2,蔡 鹏1,姜春燕1,徐 信1 (1.江苏航空职业技术学院,镇江212134;2.清华大学,北京100084) 摘 要:介绍一种无人机用机电一体化电动舵机控制系统三舵机结构采用无刷直流电动机二谐波减速器二联轴器二旋转变压器二摇臂串联的布局,结构紧凑二体积小三控制器以DSP+CPLD 为核心架构,采用PI 控制算法二位置保护和电流保护逻辑,增强了系统的可靠性三驱动器采用智能功率模块实现,简化了电路设计三实验结果表明,该系统满足控制性能要求,具有高功率密度的特点三 关键词:电动舵机;无刷直流电动机;DSP+CPLD;控制电路 中图分类号:TM359.9 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2018)10-0085-04 Design of Electric Steering Engine Control System Used for Unmanned Aerial Vehicle LI Hong-yan 1,HE Yang 2,CAI Peng 1,JIANG Chun-yan 1,XU Xin 1 (1.Jiangsu Aviation Technical College,Zhenjiang 212134,China; 2.Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract :A kind of mechatronics electrical actuator control system used by unmanned aerial vehicle (UAV)was in- troduced.The layout of actuator adopted with brushless DC motor,harmonic reducer,shaft coupling,rotary transformer and servo arm in tandem to make the structure compact and small.The controller was based on DSP+CPLD,PI control al-gorithm,position protection and current protection logic were used to enhance the reliability of the system.The driver based on the intelligent power module simplified the circuit design.The experimental results show that the system meets the re-quirements of control performance and has the characteristics of high power density. Key words :electric actuator;brushless DC motor;DSP+CPLD;control circuit 0引 言 无人机依靠电动舵机来控制左右副翼二方向舵二升降舵和油门的定位,从而维持飞行姿态的稳定三随着无人机的应用越来越广泛,对电动舵机的结构及性能要求也越来越高,因此研究轻量化二性能可靠的电动舵机系统具有重要意义三 国外,很多机构为了实现无人机用电动舵机的微型化二高功率密度二高可靠性,开展了大量的试验研究[1-3]三Futaba 公司研制了一系列用于无人机舵面控制的小功率舵机[4]三Parker 宇航开发出具有抗 干扰容错,可耐受高温苛刻环境的飞行机电作动器三此外,美国空军二海军和NASA 研制的电动作动器,结构紧凑,在F /A-18B 系列飞机上进行了测试三国内许多高校和研究院对电动舵机的余度控制[5]二容错设计[6]二故障诊断[7-8]等方面进行了深入研究三 本文从舵机机械结构分析二硬件结构搭建二控制 算法和逻辑设计出发,旨在设计出满足高功率密度二高可靠性要求的电动舵机控制系统三 1 整体设计方案 电动舵机系统的机械结构主要包括电机二减速器二联轴器二位置传感器以及摇臂三电机选用盘式无刷直流电动机,体积小二质量轻;减速器采用谐波减速器,可提高系统的功率密度二传动精度以及扭转刚度;位置传感器采用旋转变压器(以下简称旋变),配合旋变解调芯片完成舵机当前摇臂位置信号的测量与传递,可应对无人操作及复杂的工作环境三电动舵机机械结构如图1所示,其体积尺寸为110mm?33mm?50mm,舵机与控制器集成于一体的布局,有效地利用了空间,提高了系统的集成度 三 图1 舵机机械结构图 设计中,要实现电动舵机的额定扭矩为2.6N四m,最大扭矩5.8N四m;行程范围0~30?三阶跃 响应时间短,无超调和振荡三动态响应速度快,输入? 3?,5Hz 的正弦信号时幅值衰减小于3dB,相位滞万方数据
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第8卷第15期(2012年5月)基于Arduino 的舵机控制系统设计 蔡睿妍 （大连大学信息工程学院，辽宁大连116622） 摘要：舵机是传统的角度控制驱动器，在机器人等领域得到了广泛应用。传统的舵机主要采用单片机系统驱动控制，但单片机系统对多个舵机同时进行驱动效果并不理想，因此，采用了流行的开源Arduino 控制板，通过输出不同脉宽的信号进行舵机转动角度控制，实验证明，该系统实现了舵机角度控制，满足舵机角度控制精度要求，为舵机的驱动提供了新方式。 关键词：Arduino ；舵机；脉宽信号；角度控制 中图分类号：TM383.4 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2012)15-3719-03Design of Servo Control System Based on Arduino CAI Rui-yan (Information and Engineering College of Dalian University,Dalian 116622,China) Abstract:The servo is the traditional angle control driver and has been widely used in robot and other fields.In general,servo is driven by microcontroller system,but the driving effect of microcontroller system is not satisfactory for multiple servos.So,the Arduino,an open source control board,is used to output different pulse width signal to control the servo rotation angle,experiment showed that,this system realizes the angle control of servo,meets the requirement of angle control precision and provides a new way to drive servo. Key words:Arduino;servo;pulse width signal;angle control 舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前，在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。传统对舵机的控制主要采用单片机，利用定时器和中断的方式来完成控制，这样的方式控制一个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，控制起来就没有那么方便了，尤其对机器人等需要多个舵机同时工作的系统中，单片机驱动复杂且精度难以保证。因此，本文采用目前较为流行的开源Arduino 来实现舵机的精确控制。1Arduino 简介 Arduino 是源自意大利的一个教学用开源硬件项目，主要是为希望尝试创建交互式物理对象的实践者、喜欢创造发明的人及艺术家所构建的，它秉承开源硬件思想，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。Arduino 引脚如图1所示： 图1Arduino 控制板 其硬件系统是高度模块化的，通过USB 接口与计算机连接，包括14通道数字输入/输出，其中包括6通道PWM 输出、6通道10位 ADC 模拟输入/输出通道，电源电压主要有5V 和3.3V [1]。在核心控制板的外围，有开关量输入输出模块、各种模拟量传感器输入模 块、总线类传感器的输入模块，还有网络通信模块，只要在核心控制板上增加网络控制模块，就可以容易地与互联网连接。Arduino 还提供了自己的开发语言[2,3]，支持Windows 、Linux 、MacOS 等主流的操作系统。Arduino 系统是基于单片机开发的，并且大量应用通用和标准的电子元器件，包括硬件和软件在内的整个设计，代码均采用开源方式发布，因此采购的成本较低，在各种电子制作竞赛、收稿日期：2012-04-23 作者简介：蔡睿妍（1979-），黑龙江林甸县人，讲师，硕士，主要从事电子技术、通信与网络方向的研究。 E-mail:kfyj@https://www.doczj.com/doc/e812202150.html, https://www.doczj.com/doc/e812202150.html, Tel:+86-551-56909635690964 ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.8,No.15,May 2012.3719
控制思想 该模块的程序框图如图4.5 所示。车模在行驶过程中不断采样赛道信息，并通过分析车模与赛道相对位置判断车模所处赛道路况，是弯道还是直道，弯道时是左转还是右转。直道时小车舵机状态保持不变，弯道时左转或右转，计算转弯半径。我们所用舵机的标准PWM 周期为20ms,转动角度最大为左右90度，PWM调制波如图7.2所示。
当给舵机输入脉宽为0.5ms，即占空比为0.5/20=2.5%的调制波时，舵机右转90度；当给舵机输入脉宽为1.5ms，即占空比为1.5/20=7.5%的调制波时，舵机静止不动；当给舵机输入脉宽为2.5ms，即占空比为2.5/20=12.5%的调制波时，舵机左转90度。可以推导出舵机转动角度与脉冲宽度的关系计算公式为： 注：其中t为正脉冲宽度（ms）；θ为转动角度；当左转时取加法计算，右转时取减法计算结果。 当我们根据赛道弯度计算出转动角度以后便可以根据舵机的参数计算出脉冲宽度，控制舵机转动，舵机转角与PWM脉宽关系如表4-1所示。
在具体操作中PWM调制波的周期可以设置在20ms左右一定范围内，比如设置为10ms 或是30ms均可以使舵机正常转动，但是设置周期较长时，系统延迟时间较多，舵机转向会出现滞后，导致赛车冲出跑道；设置周期如果过短，系统输出PWM 调制波不稳定，舵机转动也会受影响，不能实现赛车的精确转向。经过反复测试，最终把输出PWM 调制波周期设定为13ms (用计数器实现)。 运行电机的转速以及舵机的转角，在软件上都是通过对PWM 波占空比进行设置来相应控制的。前面提到，舵机转角控制需要将两个
八位寄存器合成为一个十六位寄存器。程序中的舵机位置信号，当PWM调制波周期设为13ms时，因为总线频率为24MHz,用时钟SB，可计算得到16进制参数为9870H，舵机中间位置时占空比16进制参数为1680H，要分配给PWM6和7，分配时这2个端口的赋值必须是16进制，那么PWM模块初始化赋值为 PWMPER6= 0x98，PWMPER7= 0x70，PWMDTY6= 0x16，PWMDTY7= 0x80，因此这就牵涉到如何将1个十进制数分配为2个十六进制数问题。有2种方案，一种是除法取余，另一种是移位操作，前者编译生成的代码比后者要多，所以采用移位操作来实现，即取高位时与0xFF00先作“&”计算，然后将所得到的数向右移8位（>>8），即可取得高8位；同理，取低8位时只要与0x00FF作“&”计算即可（算法）。 2、结构和控制 一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。 工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。
在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。 其工作原理是： 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。 3. 舵机的控制： 舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的： 0.5ms--------------0度； 1.0ms------------45度； 1.5ms------------90度； 2.0ms-----------135度； 2.5ms-----------180度； 这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。 小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，一般为0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。 要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为1度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有
舵机工作原理 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。 以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。
3003舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688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。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1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。
有个很有趣的技术话题可以稍微提一下，就是BA6688是有EMF控制的，主要用途是控制在高速时候电机最大转速。 原理是这样的: 收到1个脉冲以后，BA6688内部也产生1个以5K电位器实际电压为基准的脉冲，2个脉冲比较以后展宽，输出给驱动使用。当输出足够时候，马达就开始加速，马达就能产生EMF，这个和转速成正比的。 因为取的是中心电压，所以正常不能检测到的，但是运行以后就电平发生倾斜，就能检测出来。超过EMF判断电压时候就减小展宽，甚至关闭，让马达减速或者停车。这样的好处是可以避免过冲现象(就是到了定位点还继续走,然后回头,再靠近) 一些国产便宜舵机用的便宜的芯片，就没有EMF控制，马达、齿轮的机械惯性就容易发生过冲现象，产生抖舵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20 ms(即频率为50 Hz)。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图3来表示。 可变脉宽输出试验(舵机控制) 原创：xidongs 整理：armok / 2004-12-05 / https://www.doczj.com/doc/e812202150.html,
课程设计项目说明书 舵机控制型机器人设计 学院机械工程学院 专业班级2013级机械创新班 姓名吴泽群王志波谢嘉恒袁土良指导教师王苗苗 提交日期 2016年4 月1日
华南理工大学广州学院 任务书 兹发给2013级机械创新班学生吴泽群王志波谢嘉恒袁土良 《产品设计项目》课程任务书，内容如下： 1. 题目：舵机控制型机器人设计 2.应完成的项目： 1.设计舵机机器人并实现运动 2.撰写机器人说明书 3.参考资料以及说明： [1] 孙桓.机械原理[M].北京.第六版;高等教育出版社，2001 [2] 张铁，李琳，李杞仪.创新思维与设计[M].国防工业出版社，2005 [3] 周蔼如.林伟健.C++程序设计基础[M].电子工业出版社.北京.2012.7 [4] 唐增宏.常建娥.机械设计课程设计[M].华中科技大学出版社.武汉.2006.4 [5] 李琳.李杞仪.机械原理[M].中国轻工业出版社.北京.2009.8 [6] 何庭蕙.黄小清.陆丽芳.工程力学[M].华南理工大学.广州.2007.1 4.本任务书于2016 年2 月27 日发出，应于2016 年4月2 日前完 成，然后提交给指导教师进行评定。 指导教师（导师组）签发2016年月日
评语： 总评成绩： 指导教师签字： 年月日
目录 摘要 (1) 第一章绪论 (2) 1.1机器人的定义及应用范围 (2) 1.2舵机对机器人的驱动控制 (2) 第二章舵机模块 (3) 2.1舵机 (3) 2.2舵机组成 (3) 2.3舵机工作原理 (4) 第三章总体方案设计与分析 (6) 3.1 机器人达到的目标动作 (6) 3.2 设计原则 (6) 3.3 智能机器人的体系结构 (6) 3.4 控制系统硬件设计 (6) 3.4.1中央控制模块 (7) 3.4.2舵机驱动模块 (7) 3.5机器人腿部整体结构 (8) 第四章程序设计 (9) 4.1程序流程图 (9) 4.2主要中断程序 (9) 4.3主程序 (11) 参考文献 (13) 附录 (14) 一．程序 (14) 二．硬件图 (17)
第六节液压舵机 1056 平衡舵是指舵叶相对于舵杆轴线。 A．实现了静平衡 B．实现了动平衡 C．前后面积相等 D．前面有一小部分面积 1057 平衡舵有利于。 A．减小舵叶面积 B．减少舵机负荷 C．增大转船力矩 D．增快转舵速度1058 舵叶上的水作用力大小与无关。 A．舵角 B．舵叶浸水面积 C．舵叶处流速 D．舵杆位置 1059 舵机转舵扭矩的大小与有关。 A．水动力矩 B．转船力矩C．舵杆摩擦扭矩 D．A与C 1060 舵叶的平衡系数过大会造成。 A．回舵扭矩增大 B．转舵速度变慢 C．船速下降 D．转舵扭矩增大 1061 船舶倒航时的水动力矩不会超过正航时的水动力矩，因为倒航时。 A．最大航速低 B．水压力中心距舵杆距离近 C．倒航使用舵角小 D．A＋ B 1062 采用平衡系数恰当的平衡舵主要好处是。 A．舵杆轴承径向负荷降低 B．转舵速度提高 C．常用舵角和最大航角时转航为拒皆降低 D．常用舵角时转舵扭矩不降低，最大舵角时降低 1063 舵的转船力矩。 A．与航速无关 B．与舵叶浸水面积成正比 C．只要舵角向90度接近，则随之不断增大 D．与舵叶处水的流速成正比 1064 关于舵的下列说法错的是。 A．船主机停车，顺水漂流前进，转航不会产生舵效。 B．转舵会增加船前进阻力。 C．转舵可能使船横倾和纵倾。 D．舵效与船途无关 1065 船正航时下列情况中舵的水动力矩帮助舵叶离开中位。 A. 平衡舵小舵角时 B．平衡舵大舵角时 C．不平衡舵小舵角时 D．不平衡舵大舵角时 1066 正航船舶平衡舵的转舵力矩会出现较大负扭矩的是。 A．小舵角回中 B．小舵角转离中位 C．大舵角回中 D．大舵角转离中位1067 限定最大舵角的原因主要是。 A．避免舵机过载 B．避免工作油压太高 C．避免舵机尺度太大 D．转船力矩随着舵角变化存在最大值 1068 某船若吃水和航速相同，在最大舵角范围内操舵，正航与倒航所需转舵力矩。 A．相同 B．前者大 C．后者大 D．因船而异 1069 舵机公称转舵扭矩是按正航时确定，因为。 A．大多数情况船正航 B．正航最大舵角比倒航大 C．同样情况下正航转舵扭矩比倒航大D．正航最大航速比倒航大得多 1070 舵机在正航时的转舵扭矩一般比倒航大，因为。 A．倒航舵上水压力的力臂较短 B．同样航速倒航时舵上水压力较小 C．A十B D．倒航最大航速比正航小得多 1071 下列关于舵的水动力矩和转船力矩的说法对的是。 A．与船速成正比 B．与船速平方成正比 C．与舵叶处水流速度成正比 D．与舵叶处水流速度平方成正比 1072 舵机公称转舵扭矩是指转舵扭矩。 A．平均 B．工作油压达到安全阀开启时 C. 船最深航海吃水、最大营运航速前进，最大舵角时的 D．船最深航海吃水、经济航速前进，最大舵角时的
舵机的原理，以及数码舵机VS模拟舵机 一、舵机的原理 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。 以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。 3003舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688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。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1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。 有个很有趣的技术话题可以稍微提一下，就是BA6688是有EMF控制的，主要用途是控制在高速时候电机最大转速。 原理是这样的:
收到1个脉冲以后，BA6688内部也产生1个以5K电位器实际电压为基准的脉冲，2个脉冲比较以后展宽，输出给驱动使用。当输出足够时候，马达就开始加速，马达就能产生EMF，这个和转速成正比的。 因为取的是中心电压，所以正常不能检测到的，但是运行以后就电平发生倾斜，就能检测出来。超过EMF 判断电压时候就减小展宽，甚至关闭，让马达减速或者停车。这样的好处是可以避免过冲现象(就是到了定位点还继续走,然后回头,再靠近) 一些国产便宜舵机用的便宜的芯片，就没有EMF控制，马达、齿轮的机械惯性就容易发生过冲现象，产生抖舵 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。
舵机及转向控制原理 1、概述 2、舵机的组成 3、舵机工作原理 4、舵机选购 5、舵机使用中应注意的事项 6、辉盛S90舵机简介 7、如何利用程序实现转向 8、51单片机舵机测试程序 1、概述 舵机也叫伺服电机，最早用丁船舶上实现其转向功能，由丁可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中，如图1、图2所示。
舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分，图3为舵机的外形图。 2、舵机的组成 一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等,如图4、图5所示。
变速齿轮组 诃调电位器小型宜流电机 fff 图4舵机的组成示意图 图5舵机组成 舵机的输入线共有三条，如图6所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有 两种规格，一是4.8V, 一是6.0V,分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同， 6.0V 对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANW曲某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。
输出转轴 电源线知 地线GND 控制线 图6舵机的输出线 3、舵机工作原理 控制电路板接受来自信号线的控制信号, 控制电机转动,电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘 转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进 行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到 目标停止。其工作流程为：控制信号T控制电路板T电机转动T齿轮组减速T舵盘转动T位置反馈电位计T控制电路板反馈。流，才可发挥舵机应有的性能。 舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0—180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上如图7所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用丁那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关 节、飞机的舵面等。