單片機對多舵機控制方式的探究拓展

黃雪琪

（蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730022）

在當今信息化與自動化相融合的工業背景下，單片機更多地應用于復雜的工程項目中，例如，仿生機械臂，工業機器人等項目，一般需要多個舵機協同工作。通過單片機發送有效的PWM 拓展模塊信號，以分時復用的方式輸出多個脈沖實現對舵機方向、角度、速度的轉換控制，在脈沖的控制下，使舵機轉到對應的角度上，這種對舵機的控制方式取代了傳統的分立元件，減少了分立元件的數量以及連接電路，并且單片機自身的性能更加穩定，編程也更為靈活；與此同時，多舵機的控制精度更高、可靠性更好，適用范圍也更加廣泛。

一般來講，舵機的結構主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋檢測器、限位開關、直流伺服電機及控制電路板組成。舵機作為位置（角度）伺服驅動器，單片機輸出的脈寬調制I/O 信號可以方便的和數字系統如計算機等電子設備進行對接。輸出（最多24 路）信號，對舵機從方向、角度以及速度等方面進行綜合控制，適用需要不斷變化角度且保持動作位置的運動。

1 單片機對舵機方向的控制

單片機產生的標準控制信號可以滿足數字設備對舵機的控制，舵機作為一種伺服馬達；內部包括一個小型直流馬達，一組變速齒輪組，一個反饋可調電位器，以及一塊電子控制板（如圖1 所示）。其工作原理是電路板接受來自信號線的正負極性的激勵信號來判斷轉動方向，驅動電機馬達轉動，電機帶動一系列減速齒輪組，齒輪將減速后的轉矩傳至輸出舵盤控制舵機轉動方向。舵機的輸出軸和位置反饋檢測器是相連的，舵盤轉動的同時帶動位置反饋檢測器將舵盤轉動輸出電壓信號重新反饋回控制電路板，然后，電路板根據所在位置限位開關送回的訊號，判斷是否到達指定位置，如未到達，則反饋調整電機的轉動方向和速度，到達目標位置后停止。

圖1 舵機內部的主要元件

2 單片機信號對舵機的角度控制

舵機由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成一套自動控制系統，通過發送脈沖信號，控制脈沖信號的長短指定輸出軸的旋轉角度。舵機一般最大旋轉角度為180 度。不同舵機旋轉角度的范圍有所不同，但中間位置的脈沖寬度是固定不變的；舵機通過位置反饋電位計獲取實際角度與給定的參考角度進行比較，得出誤差信號反饋給舵機，調整PWM 波中高電平所占的比值，使舵機轉動的角度更準確。

圖2 周期為20ms 的PWM 波，脈沖寬度在1 ～2ms 內

單片機控制舵機轉動的原理是利用定時器中斷產生一個周期為20ms 的PWM 波，脈沖寬度在1 ～2ms 內的范圍變化（如圖2 所示）。這種周期持續性脈沖寬度可調整控制信號，實現舵機角度的變化，這種控制方法叫作脈沖調制。脈沖的長短決定舵機轉動多大角度。例如，1.0 毫秒脈沖轉動到中間位置后舵機靜止（比如，對于120°舵機來說，舵機會轉動到60°的中間位置）。當控制系統發出指令，讓舵機移動到某一位置，并讓它保持這個角度，這時外力的影響不會讓舵機的角度產生變化，但是，這個控制是有上限和下限的，上限就是它的最大扭力；不同型號的舵機有不同的最大值和最小值脈沖一般而言，最小脈沖1ms 為右轉極限位置，最大脈沖2ms 為左轉極限位置，脈沖作用下舵機轉動的時間間隔越小,舵機的轉動角度越精準。舵機的工作角度分兩種情況,當舵機接收到的脈沖小于給定參考脈沖，輸出軸會以中間位置為標準，逆時針旋轉一定角度。當接收到的脈沖大于給定參考脈沖，輸出軸會以中間位置為標準，順時針旋轉一定角度。

3 單片機對舵機的速度控制

舵機的工作速度取決于單片機給它的信號脈寬和占空比在周期內使高低電平所占的比例。舵機要達到某一速度通過單片機的脈沖信號做一個循環程序，連續增加脈寬值，占空比使得速度的增加有一個緩沖過程，根據所需要的旋轉速度對每個高低電平切換的占空比時間加以控制，并細化這個過程，使得舵機看上去是連續流暢的定速旋轉過程。

單片機的PWM 模塊拓展信號作用在高低電平的轉換過程中，舵機的轉速有從零增加到某一定值和減速為零的兩個過程，由于單片機的PWM 波脈沖寬度是微秒級的變化,使舵機的速度變化更為平穩連續。

4 單片機內部PWM 模塊的拓展

單片機對多舵機方向、角度、速度的拓展控制，通過protues 軟件選擇ATmega128 型號單片機對多舵機進行了模擬仿真控制（如圖3 所示）,驗證了其可行；基于單片機內部的PWM 模塊，拓展多路控制舵機的信號（如圖4 所示），利用單片機內部PWM 模塊中波形占空比的中斷功能,輔以必要的硬件電路,從l 路PWM 模塊中以分時復用的方式分離出8 路信號（如圖5 所示），單片機內部的PWM 模塊越多,可擴展的控制舵機信號就越多；這種利用舵機內部的PWM 模塊和硬件、軟件相結合的方式，拓展出控制舵機的多路信號，同時，作用于多個舵機，使單片機對舵機的控制更簡單、靈活且實用性好，從而實現了舵機控制的多樣化。

圖3 protues 軟件仿真接線圖

圖4 示波器中多路PWM 波形

圖5 8 個PWM 波對應的伺服電機角度

目前，單片機對多舵機的控制應用于復雜操作或工程項目（如控制機械手臂，機器人關節）中，除了要考慮單片機對舵機方向、角度、速度等運動位置的準確控制，還要考慮多個舵機通過單片機編程及其他元件的協同配合，實現復雜動作和協同工作的實際情況；比如，我們在編寫單片機程序的時候，不僅要考慮程序語句的正確性，還要考慮單片機的實際處理能力，通過仿真軟件的應用模擬，驗證單片機對多舵機控制的可行性；只有不斷地進行技術革新，才能拓展單片機控制下的多舵機在工業生產過程以及更多領域的應用。