基于单片机的多路舵机平稳驱动方法的设计和实现

柴稳，徐娅萍，黄伟峰，支立纯

  (西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：实验标定驱动信号的脉冲宽度与舵机角位移之间的对应关系并引入舵机行程响应时间：将舵机大角度行程分成若干中间小行程接力调节。综合响应时间效应利用单片机高频的硬件中断和全局的中断计数进行数据比较来实现各个分步阶段的时问匹配，输出通道硬件使用相应的数据更新产牛各个阶段的PwM信号。该方法直观简便，能够成功实现13路舵机的乎稳驱动．

    关键词：PwM；响应时间；脉宽；舵机；单片机

    中图分类号：TM383．4  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2IlIl8)12—0043—03

0引  言

    微型直流角位移伺服电动机，又称舵机，在航模及机器人相关领域有着广泛应用。舵机分为数字舵机和模拟舵机。常用的模拟舵机是由直流电动机、电压比较器及减速齿轮机构组成，控制则采用基于位置伺服的PwM(脉宽调制)信号进行驱动。电机输出轴的位置与PwM信号的脉宽有确定关系。常见的舵机驱动系统是给出点位控制的PwM信号，在行程较大时舵机在运动过程中不免产生震动、抖动以及较大的电源于扰。本文离散标定舵机轴位和驱动信号的脉宽的关系，测定舵机响应时间的数据指标，并据此设计一种可以实现并行多路舵机较平稳驱动的软件算法，最后利用AVR单片机设计出舵机平稳驱动系统。

1舵机简介

    舵机的内部结构包括直流电动机、齿轮减速机构、电位比较器以及控制电路等，直流电动机高速输出后经减速机构以低速大扭矩的形式输出。文中使用的Futuba舵机采用50 Hz的TTL电平PwM信号驱动。0．5～2．5 ms的脉宽对应舵机O～180。的轴位输出。舵机控制原理如图l所示。图l中信号调理电路产牛周期20 ms、脉宽1．5 ms的基准信号，将

输入信号与基准信号比较得到直流偏置电压，该电压与电位器反馈电压相比较，得到纠正电压驱动电机转动.电机转动引起旋转电位器输出变化，直至纠正电压为零电机停止转动。模拟舵机不具有位置保持功能，失去PwM信号和电源信号中的任意一个都会造成位置不确定性。产生舵机所需要的PwM信号有多种方式[3-5]。用单片机来产生多路舵机控制信号，成本低、通用性好，是目前用得较多的方式，只要设计合理紧凑，就能够实现多路舵机精确可靠且稳定的控制。

    本文结合AVR 8位单片机ATmega8的特点设计出一种的多路舵机平稳驱动控制方案。

2舵机输入输出的离散标定及响应时间概念

2.1舵机输入输出的离散标定

    Futuba舵机资料中的点位关系如

由于模拟舵机的制作精度较低，各元器件的参

数不准，因此大部分的模拟舵机输出轴位和驱动信号的脉宽并不成严格的线性关系，因此在设计舵机的驱动系统之前对舵机轴位和驱动信号的脉宽值作出标定。当脉宽在O.5～2.5 ms范围之外时舵机不是正常的工作状态，因为舵的减速齿轮的最后一级是半圆齿轮，将行程限定在180。范围内。

    标定实验中单片机的定时精度采取O．1 ms的分辨率，O．5～2 5 ms计21个标定点，每个标定点都确保相应PwM信号的作用时间至舵机稳定静止。将得到的数据进

行整理，如图2所示。 

2.2舵桫响应时间

    设舵机从某一初始轴位P^。(角度)在期望轴位P1(角度)对应的PwM信号的作用下运动到P1位置，完成该行程s=1|P1一P0|所需的时间，为该行程的响应时问。可测定无论行程5如何，将期望轴位对应PwM信号持续2 s(100个周期)，舵机确定达到期望轴位。测试舵机在空载和标称负载两种情况下按表1的点位运动，各个阶段的响应时间，如图2所示．

    考虑PwM信号的完整性，测试方法如下：程序控制单片机先从I／O输出初始轴位PwM信号100个周期，后输出期望轴位PwM信号N个周期。通过修改程序中个数N由大到小，得到能达期望轴位的，N的最小值。程序改变PwM信号脉宽的指令占用微秒级时间可忽略不计。