舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器。它接收一定的控制信號，輸出一定的角度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。在微機電系統(tǒng)和航模中，它是一個基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)。以FUTABA-S3003型舵機為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機的內(nèi)部電路。
舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進入信號解調(diào)電路BA66881。的12腳進行解調(diào)，獲得一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送人電機驅(qū)動集成電路BA6686，以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器R。，旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。
舵機的控制方法
電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源.電壓通常介于4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圍 3來表示。
舵機控制器硬件電路設(shè)計
從上述舵機轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質(zhì)是一個可嗣寬度的方波信號(PWM)。該方波信號可由FPGA、模擬電路或單片機來產(chǎn)生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來實現(xiàn)則電路較復(fù)雜，不適合作多路輸出。一般采用單片機作舵機的控制器。目前采用單片機做舵機控制器的方案比較多，可以利用單片機的定時器中斷實現(xiàn)PWM。該方案將20ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成：一次定時實現(xiàn)高電平定時Th;一次定時實現(xiàn)低電平定時T1。Th、T1的時間值隨脈沖寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優(yōu)點是，PWM信號完全由單片機內(nèi)部定時器的中斷來實現(xiàn)，不需要添加外圍硬件。缺點是一個周期中的PWM信號要分兩次中斷來完成，兩次中斷的定時值計算較麻煩;為了滿足20ms的周期，單片機晶振的頻率要降低;不能實現(xiàn)多路輸出。也可以采用單片機+8253計數(shù)器的實現(xiàn)方案。該方案由單片機產(chǎn)生計數(shù)脈沖(或外部電路產(chǎn)生計數(shù)脈沖)提供給8253進行計數(shù)，由單片機給出8253的計數(shù)比較值來改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)多路輸出，軟件設(shè)計較簡單;缺點是要添加l片8253計數(shù)器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個單片機舵機控制方案基礎(chǔ)上，提出了一個新的設(shè)計方案，如圖4所示。
該方案的舵機控制器以AT89C2051($0.5940)單片機為核心，555構(gòu)成的振蕩器作為定時基準，單片機通過對555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)來產(chǎn)生PWM信號。該控制器中單片機可以產(chǎn)生8個通道的PWM信號，分別由AT89C2051的P1.0～Pl.7(12～19引腳)端口輸出。輸出的8 路PWM信號通過光耦隔離傳送到下一級電路中。因為信號通過光耦傳送過程中進行了反相，因此從光耦出來的信號必須再經(jīng)過反相器進行反相。方波信號經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會發(fā)生畸變，因此反相器采用CD40106($0.1125)施密特反相器對光耦傳輸過來的信號進行整形，產(chǎn)生標準的PWM方波信號。筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，舵機在運行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個電源，則舵機會對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開關(guān)電源。該舵機控制器占用單片機的個SCI串口。串口用于接收上位機傳送過來的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232($2.0686)為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機的RS232($780.5000)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。
實現(xiàn)多路PWM信號的原理
在模擬電路中，PWM脈沖信號可以通過直流電平與鋸齒波信號比較來得到。在單片機中，鋸齒波可以通過對整型變量加1操作來實現(xiàn)，如圖5所示。假定單片機程序中設(shè)置一整型變量SawVal，其值變化范圍為O～N。555振蕩電路產(chǎn)生的外部計數(shù)時鐘信號輸入到AT89C2051的INTO腳。每當在外部計數(shù)時鐘脈沖的下降沿，單片機產(chǎn)生外部中斷，執(zhí)行外部中斷INT0的中斷服務(wù)程序。每產(chǎn)生一次外部中斷，對SawVal執(zhí)行一次加1操作，若SawVal已達到最大值N，則對SawVal清O。SawVal值的變化規(guī)律相當于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機程序中設(shè)置另一整型變量DutyVal，其值的變化范圍為 O～N。每當在SawVal清0時，DulyVal從上位機發(fā)送的控制命令中讀入脈沖寬度系數(shù)值，例如為H(0≤H≤N)。若 DutyVal≥SawVal，則對應(yīng)端口輸出高電平;若DutyVal《Sawval，則對應(yīng)端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變 DutyVal的值，則對應(yīng)端口輸出脈沖的寬度發(fā)生變化，但輸出脈沖的頻率不變，此即為PWM波形。
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