单片机控制舵机思想.doc

1、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。图1舵机的控制要求舵机的控制信

2、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。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，

3、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

4、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，然后设置定时器在2ms后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为18ms，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实现PWM信号输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服机灵活运动。为保证软件在定时中断里采集其他信号，并且使发生PWM信号的程序不影响中断程序的运行(如果这些程序所占用时间过长，有可能会发生中断程序还未结束，下次中断又到来

5、的后果)，所以需要将采集信号的函数放在长定时中断过程中执行，也就是说每经过两次中断执行一次这些程序，执行的周期还是20ms。软件流程如图2所示。如图2 产生PWM信号的软件流程如果系统中需要控制几个舵机的准确转动，可以用单片机和计数器进行脉冲计数产生PWM信号。脉冲计数可以利用51单片机的内部计数器来实现，但是从软件系统的稳定性和程序结构的合理性看，宜使用外部的计数器，还可以提高CPU的工作效率。这个比较简单吧，驱动普通舵机只要一个口线直接接舵机信号线就行了。软件上可以用“分时复用比较法（我自己想的名字）”来做。简单来说就是：设置一个定时器让它按舵机最小分辨率的周期来溢出，溢出后让某个寄存器从

6、1开始到最大值不断重复，这个最大值不一定是0FFH，可以根据自己的需要设。每次定时器溢出的时候进入中断，寄存器加1后和每个舵机的预设值进行比较，判断是否改变高电平的宽度。这个比较一般只能处理不多的几路（要保证在下个定时器中断前完成比较）。因为舵机信号的脉宽最大只有2.5MS，在处理这几路舵机的时候把其它的舵机信号都拉低。当处理完这几路的时候，也就是定时器从1到最大值完成一次后，（这时候前面处理过的几路应该都是低电平了）把下次需要处理的几路都拉高。然后再比较这几路该什么时候拉低，依次循环，直到总时间达到20MS，再回过头来处理刚开始处理的几路。 本文下载地址：在机器人机电控制系统中，舵机控制效果

7、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

8、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0.5ms2.5ms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；请看下形象描述吧:这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参

9、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

10、呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。一些前辈喜欢用555来调舵机的驱动脉冲，如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的，可以多用几个开关引些电阻出来调占空比，这么做简单吗，应该不会啦，调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。其实主要还是他那个年代，单片机这东西不流行呀，哪里会哟！使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。听说AVR也有控制32个舵机的试验板，不过精度能不能达到2微秒可能还是要泰克才知道了。其实测试起来很简单，你只需

11、要将其控制信号与示波器连接，然后让试验板输出的舵机控制信号以2微秒的宽度递增。为什么FPPA就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。主要还是 delay memory这样的具有创造性的指令发挥了功效。该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加1个指令周期（数据0出外，详情请参见delay指令使用注意事项）因为是8位的数据存储单元，所以memory中的数据为（0255），记得前面有提过，舵机的角度级数一般为1024级，所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的，所以我们可以采用2个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了。所以这样一来，我们可以采用这样舵机驱动的应用场合：

12、1. 高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真实的驾车体验. 2. 多自由度机器人设计,为什么日本人设计的机器人可以上万RMB的出售,而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题. 3. 多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等传统舵机、数字舵机与纯数字舵机 传统舵机的控制方式以20ms 为一个周期，用一个1.5ms0.5ms 的脉冲来控制舵机的角度变化，随着以CPU 为主的数字革命的兴起，现在的舵机已成为模拟舵机和数字舵机并存的局面，但即使是现在的数字舵机，其控制接口也还是传统的1.5ms0.5ms 的模拟控制接口，只是控制芯片不再

13、是普通的模拟芯片而已；不能完全发挥现代数字化控制的优势，这在传统的遥控竞赛等领域，为了保持产品的兼容性，不得不保留模拟接口，而在一些新兴的领域完全可以采用新型的全数字接口的纯数字舵机。纯数字舵机采用全新的单线双工通讯协议，不仅能执行普通舵机的全部功能，还可以作为一个角度传感器，监测舵机的实际位置，而且可以多个舵机并联互不影响。在未来的自动化控制领域有着不可估量的优势。采用纯数字舵机构建的自动化控制系统，不仅可以大幅提升系统性能，而且可以降低系统的生产维护成本，提高产品性价比，增强市场竞争力。简单认识数码舵机 一个数十元的伺服器与数百元的伺服器在外表上并没有多大的分别，但是数码化舵机比上一代传统

14、的普通舵机有更快的反应、更精确以及更为紧凑的效率。为何数码是较佳的? 一个数码化的舵机内置了微型的处理器，这正是数码舵机优点所在。这个微型处理器可以因应所接收的讯号而作出指令，至於传统的舵机则经常只是检查自己的位置是否正确并作出更正。传统的舵机将指令的动作传至输出轴，指令是来自接收器的脉冲，每秒每秒中约有四十至五十次的调整。但是数码化舵机的输出轴每秒约有三百次的调整，足足较传统的伺服器，快了六倍之多这也表示了数码舵机调整输出轴的位置较传统的达六倍之多，所以它肯定是较传统的舵机有更快的反应。这个快速的更正也可以让你感觉到舵机是较为“强”的、如果你尝试去扭动已启动的数码舵机输出臂离开指令位置的话的

15、话，你会发觉它有更强的能力去保持原来的位置，这也是由於舵机非常迅速地为输出轴的位置作出更正调节。这正适合模型需要强大的回中能力。传统的舵机要在偏离原来指定的位置较远才能发挥较大的扭力，相反地，数码舵机的输出轴只要略略偏离指令的位置便能够发挥最大的扭力，所以它能够提供较大的动力以及更为精确。当你启动了数码舵机之後，它会发觉他不断发出齿轮的声音，这表示了它正在努力地去将输出轴维持在命令的位置。数码舵机不能与普通舵机混合使用 在更换舵机的时候请注意,如果你的直升机或飞机使用的是普通舵机,那么在更换其中某个舵机的时候,不能将普通舵机与数码舵机混合使用.要么全部使用普通舵机,要么全部使用数码舵机。数码舵

16、机的简介一个数十元的伺服器与数百元的伺服器在外表上并没有多大的分别，但是数码化舵机比上一代传统的普通舵机有更快的反应、更精确以及更为紧凑的效率。为何数码是较佳的? 一个数码化的舵机内置了微型的处理器，这正是数码舵机优点所在。这个微型处理器可以因应所接收的讯号而作出指令，至於传统的舵机则经常只是检查自己的位置是否正确并作出更正。传统的舵机将指令的动作传至输出轴，指令是来自接收器的脉冲，每秒每秒中约有四十至五十次的调整。但是数码化舵机的输出轴每秒约有三百次的调整，足足较传统的伺服器，快了六倍之多这也表示了数码舵机调整输出轴的位置较传统的达六倍之多，所以它肯定是较传统的舵机有更快的反应。这个快速的更

17、正也可以让你感觉到舵机是较为“强”的、如果你尝试去扭动已启动的数码舵机输出臂离开指令位置的话的话，你会发觉它有更强的能力去保持原来的位置，这也是由於舵机非常迅速地为输出轴的位置作出更正调节。这正适合模型需要强大的回中能力。传统的舵机要在偏离原来指定的位置较远才能发挥较大的扭力，相反地，数码舵机的输出轴只要略略偏离指令的位置便能够发挥最大的扭力，所以它能够提供较大的动力以及更为精确。当你启动了数码舵机之後，它会发觉他不断发出齿轮的声音，这表示了它正在努力地去将输出轴维持在命令的位置。舵机的性能及安装 舵机是遥控模型无线电操纵系统中很重要的部件。如果不了解它的性能，不讲究正确的安装方法，轻则影响模

18、型的飞行姿态，重则如果卡住模型则无法操纵，造成事故的发生。所以，在使用舵机前，了解它的性能和安装方法是必要的。 日前市场上出售的模型舵机，主要是比例式的，类型有普通型、超小型，强力型和特殊用途型等几种。下面分别介绍一下它们各自的性能。 普通型：45克，02秒60度，力矩3千克厘米。这种舵机各方面性能都比较适中，一般用在尺寸不是很大的P3A-1、2和P2B-1、2等模型上。 超小型：20克，015秒60度，力矩2千克厘米。它的体积小、重量轻，输出力矩小，通常用于小尺寸、舵面阻力相对小的模型上，如P5A、小型电动类模型等。 强力型：100克，02秒60度，力矩9千克厘米。这种舵机输出力矩大，可以克

19、服高速、大舵面带来的阻力大的缺点。主要用于尺寸和飞行重量大，速度快，舵面阻力大的模型，如F3A、大型仿真飞机模型、现代特技飞机模型、喷射模型飞机和F4级模型等。 特殊用途型:多数特殊用途的舵机，其性能与强力型相似。通常用于专项任务，如收索机(帆船)、起落架蛇机等。另外，还有些耐高温和可防水的舵机，主要用于科学研究和工业方面，一般模型很少采用，但近年来这种舵机随着模型产品的发展在民用模型领域发展迅速。 般的舵机内部的电路和齿轮等零什都是很精细的，自己较难制作，多采用成品舵机。日产成品舵机品质较好，剩余功率大，不易打齿、比较耐用。国产舵机质量有的也不错。安装舵机也很重要，安装方法主要有三种：(1)

20、用胶直接把舵机粘在模型上。要求帖接技术较高，不能更换， 通常用于一些简单模型。(2)对好舵机两边的安装孔，用螺钉固定。这种方法的好处是容易更换。(3)利用配套的固定片及减震片固定。对丁装大容积内燃机的模型，为了减少振动对舵机的损害，多采用这种方法。 舵机的安装位置应尽量靠近模型的重心。有条件时，舵机和接收机应尽量分别使用电源。电源电压不足时，应立即更换，以免舵机操纵失灵导致空中停机。舵机输出盘(摇臂)不同的角度和力臂孔，应尽量选择力臂大的，这样可以减小舵机负荷。输出盘与舵面，可以专用联杆或钢丝连接，前者效果较好最后说明一下，对于些电动模型的动力电机控制，原来用一个舵机作开关，但作用不大，后来有

21、些人用直接粘一个电位器的办法来对电机进行无级操纵。现在，有些厂家已生产出成品的无级变速器（现在叫电调）， 直接插在一个通道中，对电机进行加、减速等无级控制，既轻巧，又经济。不过，为了考虑车、船模使用，变速器有顺、逆转功能，而在航模上只允许用顺转功能。因此，用在航模上时，最好请专人对它的电路进行一下改装，防止操纵失误。变速器最好单用一组动力电源，如果同时使用接枚机电源，将会影响接收机的工作和舵机的动作机器人机电控制系统中的舵机1. 什么是舵机： 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

22、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。 还是看看具体的实物比较过瘾一点： 2. 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

23、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。. 舵机的控制： 3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

24、脉冲发生器有关了。一些前辈喜欢用555来调舵机的驱动脉冲，如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的，可以多用几个开关引些电阻出来调占空比，这么做简单吗，应该不会啦，调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。其实主要还是他那个年代，单片机这东西不流行呀，哪里会哟！ 使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。听说AVR也有控制32个舵机的试验板，不过精度能不能达到2微秒可能还是要泰克才知道了。其实测试起来很简单，你只需要将其控制信号与

25、示波器连接，然后让试验板输出的舵机控制信号以2微秒的宽度递增。 为什么FPPA就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。主要还是 delay memory这样的具有创造性的指令发挥了功效。该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加1个指令周期（数据0出外，详情请参见delay指令使用注意事项）因为是8位的数据存储单元，所以memory中的数据为（0255），记得前面有提过，舵机的角度级数一般为1024级，所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的，所以我们可以采用2个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了舵机的构造和原理（转）2009-08-09 09:28前言舵机是遥控

26、模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。如何审慎地选择经济且合乎需求的舵机，也是一门不可轻忽的学问。 本文章主要探讨适合各等级直升机各工作部位所使用的舵机，至於其它种类的模型，如飞机、车、船，则不在本篇文章讨论范围之内。舵机的构造 舵机主要是由外壳、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发出讯号给舵机，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讯号，判断是否已到达定位。 位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会跟着改变，测量电阻值便可知转动的角度。 一般的伺服马达是将

27、细铜线缠绕在三极转子上，当电流流过线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，於是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机。并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属的区分。较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时能更轻快精准。滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。 目前新推出FET舵机，主要是采用FET(Field Effect T

28、ransistor)场效电晶体。FET具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。技术规格 厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(cm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60。)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是 kg-cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是sec/60。，意思是舵机转动60。所需要的时间。 电压会直接影响舵机的性能，例如Futaba S-9001在4.8V时扭力为3.9kg、速度为0.22秒，在6.0V时扭力为5.2kg、速度为0.18秒。若无特别注明，JR的舵机都是以4.8V

29、为测试电压，Futaba则是以6.0V作为测试电压。所谓天下没有白吃的午餐，速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随着高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的镍镉电池，能提供稳定且充裕的电流，才可发挥舵机应有的性能。选择舵机标准的直升机需搭配5颗舵机，分别控制油门、副翼、升降舵、螺距及尾舵。 油门油门是所有动作中负载最轻的部位，且负载不会受到外在因素的影响而改变，所以选择油门舵机时，扭力不是问题(1kg就绰绰有馀)，速度才是关键。因为直升机的油门与螺距作混控，故油门与螺距舵机的速度最好要一致，才不会发生螺距舵机已到达定位，油门舵机却姗姗来迟的情况。尤其作剧烈的3D飞行时，

30、油门与螺距的变化量极大，若油门与螺距舵机的速度不协调，会发生马力延迟的状况。油门舵机的速度并不是愈快愈好，因为还要考虑引擎的反应时间。引擎必须经过吸气、压缩、爆炸、排气这一连串的步骤，尤其直升机用的引擎并不属於高转速型，因此舵机的速度如果太快，就会产生引擎运转速度跟不上舵机的动作，进而出现油气混合比不适当的状况。建议采用速度为0.190.24秒的舵机。 副翼及升降舵30级及46级的直升机选择扭力3kg以上的舵机，60级的直升机则选择扭力5kg以上的舵机。副翼及升降舵的反应速度，主要是由主旋翼转速及平衡翼片的重量所控制，与舵机的速度快慢，较无明显且直接的关联，所以不需使用太快的舵机。建议采用速度

31、为0.200.26秒的舵机。 螺距直升机的主旋翼螺距是出了名的重负载，因此螺距舵机的扭力一定要够，最好能选择扭力5kg以上的舵机。建议采用速度为0.190.24秒的舵机。 尾舵尾舵舵机的扭力不需太大，3kg就已经足够了。请依据您所使用的陀螺仪等级来搭配尾舵舵机。机械式陀螺仪因为反应速度较慢，因此无需使用高速舵机。压电式陀螺仪需搭配高速舵机，才能发挥陀螺仪的性能。高级的陀螺仪都会指明建议使用的舵机，例如JR 5000T陀螺仪建议搭配NES-8700G舵机，Futaba GY-501陀螺仪建议搭配S-9205舵机。若您使用的压电式陀螺仪并无特别指明舵机的类型，建议您购买速度愈快的舵机愈好。 如何以最经济的方式购买合用的舵机，请叁考下列步骤： 1. 先决定螺距舵机，选择扭力5kg以上的舵机，再依据预算的多寡决定舵机的速度。2. 依照螺距舵机的