总第１０３期第１期 ２０１０年３月 高 校 实 验 室 工 作研 究 ＳｅｒｉａｌＮＯ．１０３，ＮＯ．１ Ｍａｒ．２０１０ ＧＡＯＸＩＡＯ ＳＨＩＹＡＮＳＨＩ ＧＯＮＧＺＵＯ ＹＡＮＪＩＵ 机器人关节及转向装置——舵机的原理及应用 李华晋，刘 呜 （天津大学 精仪学院精密仪器与光电子实验中心，天津３０００７２） 摘 要：在机器人关节运动和航模转舵等方面需要精确控制，舵机作为一种伺服电机有较高的实用性，本 文介绍了舵机的伺服控制原理，并介绍了使用５５５定时器的硬件模拟ＰＷＭ和使用单片机模拟ＰＷＭ的软 件控制舵机方法。 关键词：舵机；硬件控制；单片机控制；ＰＷＭ 舵机作为一种伺服电机属于闭环控制系统，和一般的 制舵机的方法，这里在使用５５５产生信号部分，两个方 直流电机、交流电机相比具有很高的控制精度，步进电机 向相反的二极管使充放电回路分开，这样可以在保持信 虽然也具有～定的控制精度但仍然属于开环结构。于是舵 号周期基本不变的情况下灵活地调节占空比，ｔ ＝０．７ 机在机器人关节控制和航模转舵控制等需要精确控制而又 Ｒ Ｃ，ｔ ＝０．７Ｒ Ｃ。可以通过调节最大值为２２ｋ的多圈 没有很高载荷的系统中就显得十分经济实用，尤其在一些 电位器来产生占空比可变的控制信号，正脉宽调节范围 科技制作大赛中，舵机的使用已经显得必不可少。 在０．５ｍｓ一２．５ｍｓ，但信号周期稳定在２０ｍｓ，这样舵机 的角度可以随之连续调节。 由于舵机在工作状态下很容易受到干扰而发生抖 ｌ 舵机原理 标准舵机的外部接线是包括电源线，地线和信号线 动，故而设计了光电隔离电路，将舵机驱动电源和控制 在内的３条控制线。其供电一般在４．８Ｖ一６Ｖ，控制信 信号的电源隔离开来，这样控制信号就不会受到因舵机 号是周期为２０ｍｓ脉冲宽度是０．５ｍｓ一２．５ｍｓ的脉宽调 自身的工作而产生的干扰。同时为了最大程度的滤除干 制信号（ＰＷＭ），对应着０。一１８０。的工作转角。其工作 扰，在两个供电源上都加了１００ｕＦ的电容滤波，控制信 原理是收到的ＰＷＭ信号的脉宽和其内部电路产生的脉 号的最终输出线也并联了０．１ｕＦ的小电容滤除一部分高 宽通过比较电路得到的两路脉冲，其中一路展宽后输出 频信号。使用５５５电路控制舵机如图２所示。 给驱动电路，另一路用来控制驱动方向，电机的转动带 动电位器的位置改变脉宽，直至达到和外部信号输出一 致的脉宽信号，电机停转舵机角度固定，工作原理图如 图ｌ所示。 图２使用５５５定时器产生ＰＷＭ信号控制舵机 经实验验证，所使用电路能达到连续控制舵机转动 图１舵机工作原理 的使用要求，在占空比线性变化的过程中，舵机能够基 本线性地稳定转动，但应注意实验过程中应避免强干扰 源的干扰，保证各个环节的滤波措施，这在使用金属芯 舵机时表现得更为明显。 ２．２ 单片机输出ＰＷＭ控制 ２ 舵机控制 ２．１硬件电路控制 这是一种使用５５５定时器模拟产生ＰＷＭ信号以控 ●作者简介：李华晋，天津大学精仪学院，测控技术与仪器专业 ０６级本科生。 ●通讯作者简介：刘呜（１９５７一），男，高级工程师，实验中心 主任，主要研究方向：测控技术。 ●收稿日期：２００９—１１—２０ 在舵机角度控制需要更加精确的场合，以及机器人 控制电路中，更多的是使用单片机通过软件控制舵机， 这样的硬件电路非常简单，将舵机控制线连接在Ｉ／Ｏ口 即可。软件部分使用定时器两次定时控制输出ＰＷＭ信 号，改变定时器的初值即可实现ＰＷＭ信号占空比的变 第１期 李华晋，等：机器人关节及转向装置——舵机的原理及应用 ６３ 化。６ＭＨｚ的晶振频率下，机器周期为２ｕｓ正好和舵机 ｝ 的脉宽控制精度相适应，由于占空比可以得到非常精确 ｖｏｉｄ ｄｅｌａｙ（１ｏｎｇｊ） 的控制，舵机的角度可以达到很高的精度。同时数字控 ｝毒 制将比模拟控制有更高的抑制外部噪声的能力，输出口 ｆｏｒ（ｊ；Ｊ＞０；ｊ一一）； 也可以使用光电隔离，这里使用７４ＬＳ０７是提高输出能 ｝ 力。使用单片机控制舵机硬件电路如图３。 ＶＣＣ ＲＥＳＥＴ ×ｌ Ｐ１・Ｏ ×２ 图３ 使用单片机控制舵机硬件电路 单片机程序：初始化定时器运行主程序，这里定时 器的时间是控制信号正脉冲的持续时间（０．５ｍｓ一２．５ ｍｓ），定时的同时Ｐ１．０口置１。当定时器溢出中断后， 重新载人定时初值，第二次定时即为控制信号低电平部 分，Ｐ１．０口置０。再次溢出中断后重新装入正脉冲定时 初值，如此往复循环，可以得到稳定占空比的ＰＷＭ信 号输出。如果想要得到舵机的连续平稳转动，则令程序 逐渐改变定时初值即可。下面的程序控制舵机机从０。到 １８０。连续转动，然后停止。程序如下： ＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ｒｅ・ｇ５２．ｈ＞ ＃ｄｅｆｉｎｅ ｕｉｎｔ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｂｉｔ ｎ＝１； ｓｂｉｔ ｐｌ０＝Ｐ１ ： ｕｉｎｔ ａ，ｂ，Ｃ，ｄ； ／／ａ、ｂ为高低电平时间，ｃ、ｄ为相应初值 ／／中断程序 ｖｏｉｄ ｔｉｍｅｒ０（ｖｏｉｄ）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ １ ｛ ｎ＝！ｎ； ｉｆ（ｎ＝＝０） ｛ ｐｌ０＝０； ＴＨ０＝ｄ／２５６； ＴＬ０＝ｄ％２５６： ｝ ｅｌｓｅ ｛ ｐｌ０＝１： ＴＨ０＝ｃ／２５６； ＴＬ０＝ｃ％２５６： ｝ ／／初始化及主程序 ｖｏｉｄ ｍａｉｎ（ｖｏｉｄ） ｛ ＴＭＯＤ：０ｘ０１： ａ＝２５０： ｂ＝５５５３５一ａ： ｃ＝６５５３５一ａ： ｄ＝６３３３５一ｂ： ＴＨ０＝ｃ／２５６； ＴＬ０＝ｃ％２５６： ＥＴ０＝１； ＴＲ０＝Ｉ； ＥＡ＝１； ｐｌ０＝１； ／／每隔一段时间正脉冲增加２ｕｓ，即转动０．１８度 ｆｏｒ（ａ＝２５０；ａ＜＝１２５０；ａ＋＋） ｛ ｂ＝５５５３５一ａ； ｃ＝６５５３５一ａ： ｄ＝６３３３５一ｂ： ｄｅｌａｙ（５００） ｝ｗｈｉｌｅ（１）｛ｆ； ｝ ３ 结 语 舵机的控制实际上就是控制ＰＷＭ信号。相比较而 言，硬件控制方式在单个位置控制的情况下比较方便， 多用在航模转向装置中，而软件控制方式则更适合于需 要连续平稳控制或是多个舵机同时运行的场合，可用在 多自由度机械臂中，两种方式各有所长，无论从软件还 是硬件方面都有很多种方法，本文只是各举一例，是对 教学实验和机器人、模型制作有一个指导性介绍。 ●参考文献： ［１］付丽等．单片机控制的多路舵机用ＰＷＭ渡产生方法［Ｊ］．微特 电机，２００６，２． ［２］刘鸣．电子线路综合设计实验教程［Ｍ］．天津：天津大学出版 社，２００９． ［３］李朝青．单片机原理及接口技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大 学出版社，２００１．
