單片機(jī)對(duì)多舵機(jī)控制方式的探究拓展

嚴(yán)水威

【摘?要】一般來說，舵機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由方向盤、減速齒輪組、位置反饋檢測器、限位開關(guān)、DC伺服電機(jī)和控制電路板組成。單片機(jī)輸出的PWM I/O信號(hào)作為位置伺服驅(qū)動(dòng)器，可以方便地與計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)和其他電子設(shè)備連接。輸出信號(hào)，從方向、角度、速度等方面綜合控制舵機(jī)。，并適用于需要不斷改變角度和保持動(dòng)作位置的運(yùn)動(dòng)。本文主要分析了單片機(jī)對(duì)多執(zhí)行器控制模式的探索和拓展

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);舵機(jī);控制;PWM 模塊

引言

在當(dāng)今信息化與自動(dòng)化相結(jié)合的工業(yè)環(huán)境中，單片機(jī)更常用于仿生學(xué)機(jī)械臂、工業(yè)機(jī)械等復(fù)雜工程項(xiàng)目。對(duì)話框，通常需要多個(gè)東帝汶人的協(xié)作。這種帝汶控制模式取代了傳輸系統(tǒng)中的獨(dú)立元件，減少了獨(dú)立元件的數(shù)量和連接電路，而且單片機(jī)本身的性能更穩(wěn)定，編程也更靈活;與此同時(shí)，控制的準(zhǔn)確性、可靠性和復(fù)蓋面都有所提高。

1、單片機(jī)對(duì)舵機(jī)方向的控制

單片機(jī)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)可以滿足數(shù)字設(shè)備對(duì)伺服電機(jī)的控制。它包括一個(gè)小DC電機(jī)，一套變速齒輪，一個(gè)反饋可調(diào)電位器和一個(gè)電子控制板。其工作原理是電路板接收來自信號(hào)線的正負(fù)極性激勵(lì)信號(hào)，判斷旋轉(zhuǎn)方向，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)一系列減速齒輪組，齒輪將減小的扭矩傳遞給輸出方向盤，以控制轉(zhuǎn)向器的旋轉(zhuǎn)方向。舵機(jī)的輸出軸與位置反饋檢測器相連。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它驅(qū)動(dòng)位置反饋檢測器將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的電壓信號(hào)反饋給控制電路板。然后，電路板根據(jù)限位開關(guān)發(fā)回的信號(hào)判斷是否到達(dá)指定位置。如果沒有，它會(huì)反饋并調(diào)整電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)停止。

2、單片機(jī)信號(hào)對(duì)舵機(jī)的角度控制

舵機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成，通過發(fā)送脈沖信號(hào)，控制脈沖信號(hào)的長度和短長度，并指定輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。舵手的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度通常為180度。舵手的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍各不相同，但中間位置的脈寬固定;舵手通過反饋位置計(jì)數(shù)器獲取實(shí)際角度，并將其與給定的參考角度進(jìn)行比較，獲得舵手反饋誤差信號(hào)，調(diào)整PWM波的中高電平之間的比例，使舵手的旋轉(zhuǎn)角度更加精確。單片機(jī)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制原理是利用計(jì)時(shí)器中斷產(chǎn)生20毫秒周期的PWM波，脈寬在1 ～ 2毫秒之間變化，該周期脈寬可以調(diào)節(jié)控制信號(hào)，舵機(jī)角度變化是真實(shí)的，這種控制方法稱為脈寬調(diào)制。脈沖長度決定了舵手的旋轉(zhuǎn)角度。例如，1毫秒的脈沖轉(zhuǎn)向中間，帝汶人保持靜止（例如，120毫秒帝汶人的舵轉(zhuǎn)向中間60）。當(dāng)指揮系統(tǒng)命令將舵手移至某一位置并使其保持在該角度時(shí)，外力的影響不會(huì)改變舵手的角度，但控制具有上下限，上限是其最大扭轉(zhuǎn)力;一般來說，最小脈沖1ms是右邊界位，最大脈沖2ms是左邊界位，脈沖下舵手轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間間隔越短，舵手轉(zhuǎn)動(dòng)角度越精確。舵手的工作角度分為兩種情況：當(dāng)舵手獲得的脈沖少于給定的參考脈沖時(shí)，輸出軸被定義為平均位置，并沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一定角度。當(dāng)接收到的脈沖大于給定的參考脈沖時(shí)，輸出軸基于中心位置并沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一定角度。

3、單片機(jī)對(duì)舵機(jī)的速度控制

舵機(jī)的工作速度取決于單片機(jī)給它的信號(hào)脈寬和占空比 在周期內(nèi)使高低電平所占的比例。舵機(jī)要達(dá)到某一速度通過 單片機(jī)的脈沖信號(hào)做一個(gè)循環(huán)程序，連續(xù)增加脈寬值，占空 比使得速度的增加有一個(gè)緩沖過程，根據(jù)所需要的旋轉(zhuǎn)速度 對(duì)每個(gè)高低電平切換的占空比時(shí)間加以控制，并細(xì)化這個(gè)過 程，使得舵機(jī)看上去是連續(xù)流暢的定速旋轉(zhuǎn)過程。單片機(jī)的 PWM 模塊拓展信號(hào)作用在高低電平的轉(zhuǎn)換過程 中，舵機(jī)的轉(zhuǎn)速有從零增加到某一定值和減速為零的兩個(gè)過 程，由于單片機(jī)的 PWM 波脈沖寬度是微秒級(jí)的變化，使舵機(jī) 的速度變化更為平穩(wěn)連續(xù)。

4、多舵機(jī)分時(shí)控制方法

4.1利用 STC12C5A60S2 單片機(jī)產(chǎn)生多路 PWM 波

多舵機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比較高，所以我們選擇高性能單片機(jī)作為系統(tǒng)處理器，在這里選擇STC 12c 5 a 60 S2 8位單片機(jī)作為主芯片，其晶體振動(dòng)頻率為11.0592MHz，靈活性較高，每條指令的執(zhí)行時(shí)間相對(duì)較長一般來說，帝汶人的位置有1024個(gè)等級(jí)，因此要獲得帝汶人角的最大控制精度，必須使用至少1024個(gè)計(jì)數(shù)器值的時(shí)間表。因此，本文控制器采用STC12C5A60S2附帶的16位計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器作為波長調(diào)節(jié)器，16位T/C可以實(shí)現(xiàn)程序（事件處理）、波形產(chǎn)生和信號(hào)測量的精確同步。

4.2軟件設(shè)計(jì)

由于所有PWM波的周期時(shí)間相同，工作脈沖寬度小于周期時(shí)間的1/8，因此可以在周期時(shí)間啟動(dòng)所有PWM波的上行路徑，并使用軟件計(jì)時(shí)器確定道路PWM波的輸出寬度。程序啟動(dòng)時(shí)的初始化，包括系統(tǒng)變量初始化、I/o初始化、停止系統(tǒng)初始化以及加載初始時(shí)間/計(jì)數(shù)器值：軟件的第一個(gè)計(jì)時(shí)器設(shè)置為周期時(shí)間的1/7，并將輸出通道編號(hào)設(shè)置為從0開始。在軟件的第一計(jì)時(shí)器停止響應(yīng)后，將當(dāng)前輸出通道號(hào)的引腳置于較高的電氣級(jí)別，設(shè)置該道路輸出的正脈沖寬度，啟動(dòng)軟件的第二個(gè)計(jì)時(shí)器，輸出通道號(hào)指向下一條道路。在軟件第二分鐘計(jì)時(shí)結(jié)束后，將當(dāng)前輸出端降低到低電平，此時(shí)PWM輸出端完成，系統(tǒng)等待軟件第一分鐘的下一個(gè)1/7周期的中斷，然后使用軟件第二分鐘輸出隨后的PWM波。

4.3調(diào)平系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

平級(jí)系統(tǒng)由兩個(gè)舵手、三個(gè)金屬框架和陀螺儀等部件組成。系統(tǒng)使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)由作為主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)力的兩個(gè)舵手組成，底部舵手由金屬框架和底板連接，底部舵手由圓盤連接到頂部舵手，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)體的兩個(gè)自由度屬性。上伺服帝架由盤形和金屬直角固定，陀螺儀芯片安裝在直角固定架的頂面上。回轉(zhuǎn)體工作原理：將伺服機(jī)構(gòu)a固定在平整系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先轉(zhuǎn)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)a，由于系統(tǒng)的整體部分與伺服機(jī)構(gòu)a的固定磁盤相連，因此轉(zhuǎn)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)a可能導(dǎo)致系統(tǒng)上部整體旋轉(zhuǎn)，即接下來，伺服帝臂b旋轉(zhuǎn)，伺服帝臂旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)直角固定支架和陀螺儀運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陀螺儀平面兩度的自由旋轉(zhuǎn)。空間中的兩個(gè)自由度用于在空間中的任意位置旋轉(zhuǎn)。電源管理由TLE8366-EV5、AMS-1117-3.3組成，交換機(jī)電源設(shè)計(jì)方案將DC 7V電壓降至45V至5V，因?yàn)閱纹瑱C(jī)電源電壓為3.3v，采用線性電壓穩(wěn)定原理來調(diào)節(jié)電壓由于單片機(jī)I/o輸入輸出電壓僅為3.3v，而且I/o輸入所能提供的電流也非常有限，因此為了保護(hù)單片機(jī)I/o輸入，在驅(qū)動(dòng)伺服舵機(jī)時(shí)能有很大的電流范圍，一個(gè)較高的牽引電路利用單片機(jī)的同步功能，該波形建立20毫秒的時(shí)間周期，改變上下電平的時(shí)間調(diào)節(jié)占空比，產(chǎn)生20毫秒的方波和3.3V的峰值，并將比較電路所需的峰值增大到5V。

結(jié)束語

目前，單片機(jī)對(duì)多舵機(jī)的控制應(yīng)用于復(fù)雜操作或工程項(xiàng) 目中，除了要考慮單片機(jī) 對(duì)舵機(jī)方向、角度、速度等運(yùn)動(dòng)位置的準(zhǔn)確控制，還要考慮 多個(gè)舵機(jī)通過單片機(jī)編程及其他元件的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 動(dòng)作和協(xié)同工作的實(shí)際情況;

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（作者單位：湛江科技學(xué)院智能制造學(xué)院）