舵機(jī)原理簡(jiǎn)述!舵機(jī)PWM信號(hào)介紹

一、舵機(jī)原理簡(jiǎn)述

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)。

舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

（1）舵機(jī)的追隨特性

假設(shè)現(xiàn)在舵機(jī)穩(wěn)定在A點(diǎn)，這時(shí)候CPU發(fā)出一個(gè)PWM信號(hào)，舵機(jī)全速由A點(diǎn)轉(zhuǎn)向B點(diǎn)，在這個(gè)過(guò)程中需要一段時(shí)間，舵機(jī)才能運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。

保持時(shí)間為Tｗ

當(dāng)Tｗ≥△T時(shí)，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時(shí)間；

當(dāng)Tｗ≤△T時(shí)，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；

理論上：當(dāng)Tｗ=△T時(shí)，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。

實(shí)際過(guò)程中ｗ不盡相同，連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T比較難以計(jì)算出來(lái)。

當(dāng)PWM信號(hào)以最小變化量即（1DIV=8us）依次變化時(shí)，舵機(jī)的分辨率最高，但是速度會(huì)減慢。

二、舵機(jī)PWM信號(hào)介紹

1．PWM信號(hào)的定義 PWM 信號(hào)為脈寬調(diào)制信號(hào)，其特點(diǎn)在于他的上升沿與下降沿之間的時(shí)間寬度。具體的時(shí)間寬窄協(xié)議參考下列講述。我們目前使用的舵機(jī)主要依賴于模型行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，隨著機(jī)器人行業(yè)的漸漸獨(dú)立，有些廠商已經(jīng)推出全新的舵機(jī)協(xié)議，這些舵機(jī)只能應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，已經(jīng)不能夠應(yīng)用于傳統(tǒng)的模型上面了。 目前 舵機(jī)可能是這個(gè)過(guò)渡時(shí)期的產(chǎn)物，它采用傳統(tǒng)的 PWM 協(xié)議，優(yōu)缺點(diǎn)一目了然。優(yōu)點(diǎn)是已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，成本低，旋轉(zhuǎn)角度大（目前所生產(chǎn)的都可達(dá)到 185 度）； 缺點(diǎn)是控制比較復(fù)雜，畢竟采用 PWM 格式。 但是它是一款數(shù)字型的舵機(jī)，其對(duì) PWM 信號(hào)的要求較低： （1） 不用隨時(shí)接收指令，減少 CPU 的疲勞程度； （2） 可以位置自鎖、位置跟蹤，這方面超越了普通的步進(jìn)電機(jī)；

其 PWM 格式注意的幾個(gè)要點(diǎn)： （1） 上升沿最少為 0.5mS，為 0.5mS---2.5mS 之間； （2） HG14-M 數(shù)字舵機(jī)下降沿時(shí)間沒(méi)要求，目前采用 0.5Ms 就行；也就是說(shuō) PWM 波形可以是一個(gè)周期 1mS 的標(biāo)準(zhǔn)方波； （3） HG0680 為塑料齒輪模擬舵機(jī)，其要求連續(xù)供給 PWM 信號(hào)；它也可以輸入一個(gè)周期為 1mS 的標(biāo)準(zhǔn)方波，這時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的跟隨性能很好、很緊密。

2．PWM信號(hào)控制精度制定

如果采用的是 8 位單片機(jī)AT89C52CPU，其數(shù)據(jù)分辨率為256，那么經(jīng)過(guò)舵機(jī)極限參數(shù)實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)該將其劃分為 250 份。 那么 0.5mS---2.5Ms 的寬度為 2mS = 2000uS。2000uS÷250=8uS，則：PWM 的控制精度為 8us。我們可以以 8uS 為單位遞增控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與定位。 舵機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng) 185 度，那么185 度÷250=0.74 度，則：舵機(jī)的控制精度為 0.74 度。

1 DIV = 8us ; 250DIV=2ms時(shí)基寄存器內(nèi)的數(shù)值為：（#01H）01 ----（#0FAH）250。 共 185 度，分為 250 個(gè)位置，每個(gè)位置叫 1DIV。則：185÷250 = 0.74 度 / DIV PWM 上升沿函數(shù)： 0.5ms + N×DIV 0us ≤ N×DIV ≤ 2ms 0.5ms ≤ 0.5ms+N×DIV ≤ 2.5ms

二．單舵機(jī)拖動(dòng)及調(diào)速算法

1．舵機(jī)為隨動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時(shí)，將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動(dòng)。 （2）當(dāng)其到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，將自動(dòng)保持該位置。所以對(duì)于數(shù)字舵機(jī)而言，PWM 信號(hào)提供的是目標(biāo)位置，跟蹤運(yùn)動(dòng)要靠舵機(jī)本身。 （3）像 HG0680 這樣的模擬舵機(jī)需要時(shí)刻供給 PWM 信號(hào)，舵機(jī)自己不能鎖定目標(biāo)位置。所以我們的控制系統(tǒng)是一個(gè)目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)。 （1）HG14-M舵機(jī)的位置控制方法 舵機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)到 185 度，由于采用 8 為 CPU 控制，所以控制精度最大為 256 份。目前經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試和規(guī)劃，分了 250 份。將 0—185° 分為 250 份，每份 0.74 度?？刂扑璧?PWM 寬度為 0.5ms—2.5ms，寬度 2ms。 2ms÷250=8us；所以得出：PWM 信號(hào) = 1 度/8us；

（2）舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)議

運(yùn)動(dòng)時(shí)可以外接較大的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載，舵機(jī)輸出扭矩較大，而且抗抖動(dòng)性很好，電位器的線性度較高，達(dá)到極限位置時(shí)也不會(huì)偏離目標(biāo)。

2、目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)的特征

（1）舵機(jī)的追隨特性

① 舵機(jī)穩(wěn)定在 A 點(diǎn)不動(dòng)； ② CPU 發(fā)出 B 點(diǎn)位置坐標(biāo)的 PWM 信號(hào)； ③ 舵機(jī)全速由 A 點(diǎn)轉(zhuǎn)向 B 點(diǎn)； △ф = фB - фA △T = △ф÷ω ④ CPU 發(fā)出 B 點(diǎn) PWM 信號(hào)后，應(yīng)該等待一段時(shí)間，利用此時(shí)間舵機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)至 B 點(diǎn)。那么，具體的保持（等待）時(shí)間如何來(lái)計(jì)算，如下講解： 令：保持時(shí)間為 Tｗ 當(dāng) Tｗ≥△T 時(shí)，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時(shí)間； 當(dāng) Tｗ≤△T 時(shí)，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)； 理論上：當(dāng) Tｗ=△T 時(shí)，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。 實(shí)際過(guò)程中由于 2 個(gè)因素： ① 1 個(gè)機(jī)器人身上有多個(gè)舵機(jī)，負(fù)載個(gè)不相同，所以ω不同； ② 某個(gè)舵機(jī)在不同時(shí)刻的外界環(huán)境負(fù)載也不同，所以ω不同； 則連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T 難以計(jì)算出來(lái)。 目前采取的方法是經(jīng)驗(yàn)選取ω值。

（2）舵機(jī)ω值測(cè)定 舵機(jī)的ω值隨時(shí)變化，所以只能測(cè)定一個(gè)平均值，或稱出現(xiàn)概率最高的點(diǎn)。 依據(jù)

① 廠商的經(jīng)驗(yàn)值； ② 采用 HG14-M 具體進(jìn)行測(cè)試； 測(cè)試實(shí)驗(yàn)：

① 將 CPU 開(kāi)通，并開(kāi)始延時(shí) Tｗ； ② 當(dāng)延時(shí) Tｗ到達(dá)后，觀察舵機(jī)是否到達(dá)目標(biāo)； 測(cè)定時(shí)采用一段雙擺程序，伴隨示波器用肉眼觀察 Tｗ與△T 的關(guān)系。 （3）舵機(jī)ω值計(jì)算 一般舵機(jī)定為 0.16--0.22 秒/60 度； 取 0.2 秒/60 度 ＞＞ 1.2 秒/360 度 ＞＞ 0.617 秒/185 度 則ω為 360 度/1.2 秒，2Π/1.2 秒 ω=300 度/秒 那么 185 度轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間為 185 度÷360 度/1.2 秒 = 0.6167 秒。 （4）采用雙擺試驗(yàn)驗(yàn)證

3．DAV的定義將 185 度的轉(zhuǎn)角分為 250 個(gè)平均小份。 則：每小份為 0.74 度。 定義如下：DAV = 0.74 度 由于：ω = 0.2 秒/60 度 則：運(yùn)行 1 DAV 所需時(shí)間為：0.72 度*0.2 秒/60 度 = 2.4 ms；

4．DIV的定義舵機(jī)電路支持的 PWM 信號(hào)為 0.5ms—2.5ms，總間隔為 2ms。 若分為 250 小份，則 2ms÷250 = 0.008 ms = 8us。 定義如下：DIV = 8us。

5．單舵機(jī)調(diào)速算法

測(cè)試內(nèi)容：將后部下降沿的時(shí)間拉至 30ms 沒(méi)有問(wèn)題，舵機(jī)照樣工作。

將后部下降沿的時(shí)間拉至 10ms 沒(méi)有問(wèn)題，舵機(jī)照樣工作。 將后部下降沿的時(shí)間拉至 2.6ms 沒(méi)有問(wèn)題，舵機(jī)照樣工作。 將后部下降沿的時(shí)間拉至 500us 沒(méi)有問(wèn)題，舵機(jī)照樣工作。 實(shí)踐檢驗(yàn)出：下降沿時(shí)間參數(shù)可以做的很小。目前實(shí)驗(yàn)降至 500uS，依然工作正常。 原因是：

（1）舵機(jī)電路自動(dòng)檢測(cè)上升沿，遇上升沿就觸發(fā)，以此監(jiān)測(cè) PWM 脈寬“頭”。 （2）舵機(jī)電路自動(dòng)檢測(cè)下降沿，遇下降沿就觸發(fā)，以此監(jiān)測(cè) PWM 脈寬“尾”。

（1）舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的極限下降沿PWM脈寬

令人質(zhì)疑的地方為 1.1ms 時(shí)的表現(xiàn)，得出的 Tｗ≈ △T； 也就是說(shuō) 1.1ms = 2.467ms，顯然存在問(wèn)題。 經(jīng)過(guò)考慮重新觀察 PWM 波形圖發(fā)現(xiàn)，電機(jī)真正的啟動(dòng)點(diǎn)如下圖：

實(shí)際上由 A 到 B 的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：△T = Tｗ +（B 點(diǎn)的）PWM