舵機(jī)PWM信號介紹，單舵機(jī)拖動及調(diào)速算法

一、舵機(jī)原理簡述

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)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)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(jī)停止轉(zhuǎn)動。

舵機(jī)的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，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，這時候CPU發(fā)出一個PWM信號，舵機(jī)全速由A點轉(zhuǎn)向B點，在這個過程中需要一段時間，舵機(jī)才能運(yùn)動到B點。

保持時間為Tｗ

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

當(dāng)Tｗ≤△T時，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；

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

實際過程中ｗ不盡相同，連貫運(yùn)動時的極限△T比較難以計算出來。

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

二、舵機(jī)PWM信號介紹

1．PWM信號的定義 PWM 信號為脈寬調(diào)制信號，其特點在于他的上升沿與下降沿之間的時間寬度。具體的時間寬窄協(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)可能是這個過渡時期的產(chǎn)物，它采用傳統(tǒng)的 PWM 協(xié)議，優(yōu)缺點一目了然。優(yōu)點是已經(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 PWM 信號的要求較低：（1） 不用隨時接收指令，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 格式注意的幾個要點：（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)下降沿時間沒要求，目前采用 0.5Ms 就行；也就是說 PWM 波形可以是一個周期 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；它也可以輸入一個周期為 1mS 的標(biāo)準(zhǔn)方波，這時表現(xiàn)出來的跟隨性能很好、很緊密。

2．PWM信號控制精度制定

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)過舵機(jī)極限參數(shù)實驗，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)動與定位。舵機(jī)可以轉(zhuǎn)動 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時基寄存器內(nèi)的數(shù)值為：（#01H）01 ----（#0FAH）250。共 185 度，分為 250 個位置，每個位置叫 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)拖動及調(diào)速算法

1．舵機(jī)為隨動機(jī)構(gòu)（1）當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時，將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動。（2）當(dāng)其到達(dá)目標(biāo)位置時，將自動保持該位置。所以對于數(shù)字舵機(jī)而言，PWM 信號提供的是目標(biāo)位置，跟蹤運(yùn)動要靠舵機(jī)本身。（3）像 HG0680 這樣的模擬舵機(jī)需要時刻供給 PWM 信號，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)過實際測試和規(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 = 1 度/8us；

（2）舵機(jī)的運(yùn)動協(xié)議

運(yùn)動時可以外接較大的轉(zhuǎn)動負(fù)載，舵機(jī)輸出扭矩較大，而且抗抖動性很好，電位器的線性度較高，達(dá)到極限位置時也不會偏離目標(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 點不動；② CPU 發(fā)出 B 點位置坐標(biāo)的 PWM 信號；③ 舵機(jī)全速由 A 點轉(zhuǎn)向 B 點；△ф = фB - фA △T = △ф÷ω ④ CPU 發(fā)出 B 點 PWM 信號后，應(yīng)該等待一段時間，利用此時間舵機(jī)才能轉(zhuǎn)動至 B 點。那么，具體的保持（等待）時間如何來計算，如下講解：令：保持時間為 Tｗ 當(dāng) Tｗ≥△T 時，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時間；當(dāng) Tｗ≤△T 時，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；理論上：當(dāng) Tｗ=△T 時，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動的最快。實際過程中由于 2 個因素：① 1 個機(jī)器人身上有多個舵機(jī)，負(fù)載個不相同，所以ω不同；② 某個舵機(jī)在不同時刻的外界環(huán)境負(fù)載也不同，所以ω不同；則連貫運(yùn)動時的極限△T 難以計算出來。目前采取的方法是經(jīng)驗選取ω值。

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

① 廠商的經(jīng)驗值；② 采用 HG14-M 具體進(jìn)行測試；測試實驗：

① 將 CPU 開通，并開始延時 Tｗ；② 當(dāng)延時 Tｗ到達(dá)后，觀察舵機(jī)是否到達(dá)目標(biāo)；測定時采用一段雙擺程序，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)動的時間為 185 度÷360 度/1.2 秒 = 0.6167 秒。（4）采用雙擺試驗驗證

3．DAV的定義將 185 度的轉(zhuǎn)角分為 250 個平均小份。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

測試內(nèi)容：將后部下降沿的時間拉至 30ms 沒有問題，舵機(jī)照樣工作。

將后部下降沿的時間拉至 10ms 沒有問題，舵機(jī)照樣工作。將后部下降沿的時間拉至 2.6ms 沒有問題，舵機(jī)照樣工作。將后部下降沿的時間拉至 500us 沒有問題，舵機(jī)照樣工作。實踐檢驗出：下降沿時間參數(shù)可以做的很小。目前實驗降至 500uS，依然工作正常。原因是：

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

（1）舵機(jī)轉(zhuǎn)動時的極限下降沿PWM脈寬

令人質(zhì)疑的地方為 1.1ms 時的表現(xiàn)，得出的 Tｗ≈ △T；也就是說 1.1ms = 2.467ms，顯然存在問題。經(jīng)過考慮重新觀察 PWM 波形圖發(fā)現(xiàn)，電機(jī)真正的啟動點如下圖：

實際上由 A 到 B 的運(yùn)動時間為：△T = Tｗ +（B 點的）PWM

責(zé)任編輯人：CC