舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器。它接收一定的控制信號(hào)，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(jī)電系統(tǒng)和航模中，它是一個(gè)基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以FUTABA-S3003型舵機(jī)為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機(jī)的內(nèi)部電路。

舵機(jī)的工作原理是：PWM信號(hào)由接收通道進(jìn)入信號(hào)解調(diào)電路BA66881。的12腳進(jìn)行解調(diào)，獲得一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路BA6686，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器R。，旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。

舵機(jī)的控制方法

電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)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(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)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(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圍 3來(lái)表示。

舵機(jī)控制器硬件電路設(shè)計(jì)

從上述舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機(jī)的控制信號(hào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)可嗣寬度的方波信號(hào)(PWM)。該方波信號(hào)可由FPGA、模擬電路或單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)則電路較復(fù)雜，不適合作多路輸出。一般采用單片機(jī)作舵機(jī)的控制器。目前采用單片機(jī)做舵機(jī)控制器的方案比較多，可以利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)PWM。該方案將20ms的周期信號(hào)分為兩次定時(shí)中斷來(lái)完成：一次定時(shí)實(shí)現(xiàn)高電平定時(shí)Th;一次定時(shí)實(shí)現(xiàn)低電平定時(shí)T1。Th、T1的時(shí)間值隨脈沖寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，PWM信號(hào)完全由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要添加外圍硬件。缺點(diǎn)是一個(gè)周期中的PWM信號(hào)要分兩次中斷來(lái)完成，兩次中斷的定時(shí)值計(jì)算較麻煩;為了滿足20ms的周期，單片機(jī)晶振的頻率要降低;不能實(shí)現(xiàn)多路輸出。也可以采用單片機(jī)+8253計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)方案。該方案由單片機(jī)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖(或外部電路產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖)提供給8253進(jìn)行計(jì)數(shù)，由單片機(jī)給出8253的計(jì)數(shù)比較值來(lái)改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)多路輸出，軟件設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是要添加l片8253計(jì)數(shù)器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個(gè)單片機(jī)舵機(jī)控制方案基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

該方案的舵機(jī)控制器以AT89C2051($0.5940)單片機(jī)為核心，555構(gòu)成的振蕩器作為定時(shí)基準(zhǔn)，單片機(jī)通過對(duì)555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。該控制器中單片機(jī)可以產(chǎn)生8個(gè)通道的PWM信號(hào)，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(hào)通過光耦隔離傳送到下一級(jí)電路中。因?yàn)樾盘?hào)通過光耦傳送過程中進(jìn)行了反相，因此從光耦出來(lái)的信號(hào)必須再經(jīng)過反相器進(jìn)行反相。方波信號(hào)經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會(huì)發(fā)生畸變，因此反相器采用CD40106($0.1125)施密特反相器對(duì)光耦傳輸過來(lái)的信號(hào)進(jìn)行整形，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM方波信號(hào)。筆者在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，舵機(jī)在運(yùn)行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機(jī)與單片機(jī)控制器共用一個(gè)電源，則舵機(jī)會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機(jī)與單片機(jī)控制器采用兩個(gè)電源供電，兩者不共地，通過光耦來(lái)隔離，并且給舵機(jī)供電的電源最好采用輸出功率較大的開關(guān)電源。該舵機(jī)控制器占用單片機(jī)的個(gè)SCI串口。串口用于接收上位機(jī)傳送過來(lái)的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個(gè)通道輸出信號(hào)的脈沖寬度。MAX232($2.0686)為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機(jī)的RS232($780.5000)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

實(shí)現(xiàn)多路PWM信號(hào)的原理

在模擬電路中，PWM脈沖信號(hào)可以通過直流電平與鋸齒波信號(hào)比較來(lái)得到。在單片機(jī)中，鋸齒波可以通過對(duì)整型變量加1操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。假定單片機(jī)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(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)輸入到AT89C2051的INTO腳。每當(dāng)在外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖的下降沿，單片機(jī)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(duì)SawVal執(zhí)行一次加1操作，若SawVal已達(dá)到最大值N，則對(duì)SawVal清O。SawVal值的變化規(guī)律相當(dāng)于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機(jī)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(dāng)在SawVal清0時(shí)，DulyVal從上位機(jī)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(duì)應(yīng)端口輸出高電平;若DutyVal《Sawval，則對(duì)應(yīng)端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變 DutyVal的值，則對(duì)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。