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舵机的相关原理与控制原理


舵机的相关原理与控制原理 2007 年 08 月 23 日 星期四 上午 01:25 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; 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 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(0~255),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,我们可以采用这样的软件结构 了:

舵机驱动的应用场合:
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


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