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浅谈舵机电路及其控制原理

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ID:318399 发表于 2018-4-28 15:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。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。
舵机的工作原理:一般来讲,舵机主要由以下几个部分组成, 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号,其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms,相对应舵盘的位置为0-180度,呈线性变化。也就是说,给它提供一定的脉宽,它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上,无论外界转矩怎样改变,直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号,它才会改变输出角度到新的对应的位置上。转动范围不能超过180度。适合于需要不断角度变化并可以保持的驱动电路中。
控制电路板中的信号调制芯片接收来自信号线的信号,获得偏置电压,芯片内部本身带有一个基准电路,产生周期为20毫秒,宽度为1.5MS的基准信号,获得的偏置电压信号会与基准电压进行比较,电压差的正负值输出到电机驱动芯片将决定电机的正反转,因为舵机的输出轴与位置反馈电位计是相连的,电机的转动通过级联减速齿轮带动反馈电位计(电位器)旋转,电位计将输出一个电压信号到控制电路板,进行负反馈,当电压差为零时,电机停止转动,并达到预期的转动角度位置。
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-----------负90度;
   1.0ms-----------负45度;
   1.5ms------------0度;
   2.0ms-----------正45度;
   2.5ms-----------正90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。
   

第八届的B车模采用的舵机是SD_5参数如下:
  
简介:数字舵机,最高工作电压是5.5V,正常工作电流是200mA,具有堵转保护功能,当堵转电流大于或等于800mA时,舵机在三秒后开始保护电路、电机,降低电流,停止转动。但不排除电压过高烧坏的风险,详细了解一款舵机的工作参数是精准控制的前提。
在我们看来,理想的舵机模型应满足以下条件
1、响应时间为零,在接到指令后即可转动到指定位置。
2、力矩为无穷大,可以克服一切机械阻力。
3、对外界的电磁干扰不敏感,也不对外产生电磁干扰。
4、工作中中值恒定。
5、控制精度足够高。
6、舵机转角与高电平时间呈线性关系。
出于以上几点,我们知道理想模型是不存在的,但我们可以对实际模型进行改进。如何缩短舵机的响应时间?提高工作电压是一个方法,在最高允许工作电压下,电压越高,响应越快。加长舵机机械臂也是一个方法,根据杠杆原理,臂长越长,前轮转动相同的角度,舵机需要转动的角度越小,但臂长加长,对舵机输出力矩强度要求就越高,当强度不能满足要求时,控制精度就会下降,并有可能因为电流过大烧坏舵机。
舵机控制:(以下为摘抄参考内容)
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:

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