詳細(xì)的舵機(jī)控制原理資料

一．舵機(jī)PWM信號(hào)介紹... 1

1．PWM信號(hào)的定義... 1

2．PWM信號(hào)控制精度制定... 2

二．單舵機(jī)拖動(dòng)及調(diào)速算法... 3

1．舵機(jī)為隨動(dòng)機(jī)構(gòu)... 3

（1）HG14-M舵機(jī)的位置控制方法... 3

（2）HG14-M舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)議... 4

2．目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)的特征... 5

（1）舵機(jī)的追隨特性... 5

（2）舵機(jī)ω值測(cè)定... 6

（3）舵機(jī)ω值計(jì)算... 6

（4）采用雙擺試驗(yàn)驗(yàn)證... 6

3．DAV的定義... 7

4．DIV的定義... 7

5．單舵機(jī)調(diào)速算法... 8

（1）舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的極限下降沿PWM脈寬... 8

三．8舵機(jī)聯(lián)動(dòng)單周期PWM指令算法... 10

1．控制要求... 10

2．注意事項(xiàng)... 10

3．8路PWM信號(hào)發(fā)生算法解析... 11

4．N排序子程序RAM的制定... 12

5．N差子程序解析... 13

6．關(guān)于掃尾問題... 14

（1）提出掃尾的概念... 14

（2）掃尾值的計(jì)算... 14

PWM信號(hào)為脈寬調(diào)制信號(hào)，其特點(diǎn)在于他的上升沿與下降沿之間的時(shí)間寬度。具體的時(shí)間寬窄協(xié)議參考下列講述。我們目前使用的舵機(jī)主要依賴于模型行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，隨著機(jī)器人行業(yè)的漸漸獨(dú)立，有些廠商已經(jīng)推出全新的舵機(jī)協(xié)議，這些舵機(jī)只能應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，已經(jīng)不能夠應(yīng)用于傳統(tǒng)的模型上面了。

目前，北京漢庫的HG14-M舵機(jī)可能是這個(gè)過渡時(shí)期的產(chǎn)物，它采用傳統(tǒng)的PWM協(xié)議，優(yōu)缺點(diǎn)一目了然。優(yōu)點(diǎn)是已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，成本低，旋轉(zhuǎn)角度大（目前所生產(chǎn)的都可達(dá)到185度）；缺點(diǎn)是控制比較復(fù)雜，畢竟采用PWM格式。

但是它是一款數(shù)字型的舵機(jī)，其對(duì)PWM信號(hào)的要求較低：

（1）   不用隨時(shí)接收指令，減少CPU的疲勞程度；

（2）   可以位置自鎖、位置跟蹤，這方面超越了普通的步進(jìn)電機(jī)；

（1）   上升沿最少為0.5mS，為0.5mS---2.5mS之間；

（2）   HG14-M數(shù)字舵機(jī)下降沿時(shí)間沒要求，目前采用0.5Ms就行；也就是說PWM波形可以是一個(gè)周期1mS的標(biāo)準(zhǔn)方波；

（3）   HG0680為塑料齒輪模擬舵機(jī)，其要求連續(xù)供給PWM信號(hào)；它也可以輸入一個(gè)周期為1mS的標(biāo)準(zhǔn)方波，這時(shí)表現(xiàn)出來的跟隨性能很好、很緊密。

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1 DIV = 8uS ;250DIV=2mS

時(shí)基寄存器內(nèi)的數(shù)值為：（#01H）01 ----（#0FAH）250。

共185度，分為250個(gè)位置，每個(gè)位置叫1DIV。

則：185÷250 = 0.74度 / DIV

PWM上升沿函數(shù)： 0.5mS + N×DIV

                0.5mS ≤ 0.5Ms+N×DIV ≤ 2.5mS

（1）當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時(shí)，將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）當(dāng)其到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，將自動(dòng)保持該位置。

所以對(duì)于數(shù)字舵機(jī)而言，PWM信號(hào)提供的是目標(biāo)位置，跟蹤運(yùn)動(dòng)要靠舵機(jī)本身。

（3）像HG0680這樣的模擬舵機(jī)需要時(shí)刻供給PWM信號(hào)，舵機(jī)自己不能鎖定目標(biāo)位置。

所以我們的控制系統(tǒng)是一個(gè)目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)。

舵機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)到185度，由于采用8為CPU控制，所以控制精度最大為256份。目前經(jīng)過實(shí)際測(cè)試和規(guī)劃，分了250份。具體劃分參見《250份劃分原理》。

將0—185分為250份，每份0.74度。

控制所需的PWM寬度為0.5ms—2.5ms，寬度2ms。

2ms÷250=8us；

所以得出：PWM信號(hào) =1度/8us；

運(yùn)動(dòng)時(shí)可以外接較大的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載，舵機(jī)輸出扭矩較大，而且抗抖動(dòng)性很好，電位器的線性度較高，達(dá)到極限位置時(shí)也不會(huì)偏離目標(biāo)。

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① 舵機(jī)穩(wěn)定在A點(diǎn)不動(dòng)；

② CPU發(fā)出B點(diǎn)位置坐標(biāo)的PWM信號(hào)；

③ 舵機(jī)全速由A點(diǎn)轉(zhuǎn)向B點(diǎn)；

④ CPU發(fā)出B點(diǎn)PWM信號(hào)后，應(yīng)該等待一段時(shí)間，利用此時(shí)間舵機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)至B點(diǎn)。

令：保持時(shí)間為Tｗ

       當(dāng)Tｗ≥△T時(shí)，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時(shí)間；

當(dāng)Tｗ≤△T時(shí)，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；

理論上：當(dāng)Tｗ=△T時(shí)，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。

實(shí)際過程中由于2個(gè)因素：

① 1個(gè)機(jī)器人身上有多個(gè)舵機(jī)，負(fù)載個(gè)不相同，所以ω不同；

② 某個(gè)舵機(jī)在不同時(shí)刻的外界環(huán)境負(fù)載也不同，所以ω不同；

則連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T難以計(jì)算出來。

依據(jù) ① 廠商的經(jīng)驗(yàn)值；

② 采用HG14-M具體進(jìn)行測(cè)試；

測(cè)試實(shí)驗(yàn)：① 將CPU開通，并開始延時(shí)Tｗ；

② 當(dāng)延時(shí)Tｗ到達(dá)后，觀察舵機(jī)是否到達(dá)目標(biāo)；

測(cè)定時(shí)采用一段雙擺程序，伴隨示波器用肉眼觀察Tｗ與△T的關(guān)系。

一般舵機(jī)定為0.16--0.22秒/60度；

取0.2秒/60度＞＞ 1.2秒/360度＞＞ 0.617秒/185度

則ω為360度/1.2秒，2Π/1.2秒

ω=300度/秒

那么185度轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間為185度÷360度/1.2秒 = 0.6167秒。

將185度的轉(zhuǎn)角分為250個(gè)平均小份。

則：每小份為0.74度。

則：運(yùn)行1 DAV所需時(shí)間為：0.72度÷0.2秒/60度 = 2.4 mS；

舵機(jī)電路支持的PWM信號(hào)為0.5mS—2.5mS，總間隔為2mS。

若分為250小份，則2mS÷250 = 0.008 mS = 8uS

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那么1 DAV（0.74度）對(duì)應(yīng)的△T為：0.74度÷60度/0.2秒 =2.4 67mS.。

測(cè)試內(nèi)容：將后部下降沿的時(shí)間拉至30ms沒有問題，舵機(jī)照樣工作。

將后部下降沿的時(shí)間拉至10ms沒有問題，舵機(jī)照樣工作。

         將后部下降沿的時(shí)間拉至2.6ms沒有問題，舵機(jī)照樣工作。

         將后部下降沿的時(shí)間拉至500us沒有問題，舵機(jī)照樣工作。

實(shí)踐檢驗(yàn)出：下降沿時(shí)間參數(shù)可以做的很小。目前實(shí)驗(yàn)降至500uS，依然工作正常。

原因是：（1）舵機(jī)電路自動(dòng)檢測(cè)上升沿，遇上升沿就觸發(fā)，以此監(jiān)測(cè)PWM脈寬“頭”。

      （2）舵機(jī)電路自動(dòng)檢測(cè)下降沿，遇下降沿就觸發(fā)，以此監(jiān)測(cè)PWM脈寬“尾”。

△T：舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)1DAV（7.4度）所需要的最小時(shí)間，目前計(jì)算出的數(shù)值為2.467mS；

△T前面的20 mS等待時(shí)間可以省略，舵機(jī)依然工作；而且得出舵機(jī)跟隨的最快驅(qū)動(dòng)方式。

令人質(zhì)疑的地方為1.1ms時(shí)的表現(xiàn)，得出的Tｗ≈ △T；

也就是說1.1ms =2.467ms，顯然存在問題。

經(jīng)過考慮重新觀察PWM波形圖發(fā)現(xiàn)，電機(jī)真正的啟動(dòng)點(diǎn)如下圖：

實(shí)際上由A到B的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：△T = Tｗ +（B點(diǎn)的）PWM

要求同時(shí)發(fā)給8個(gè)舵機(jī)位置目標(biāo)值，該指令的執(zhí)行周期盡量短，目的有2個(gè)：

其一，是為了將來擴(kuò)充至24舵機(jī)；其二，目標(biāo)越快，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快；

我們以8路為1組或稱1個(gè)單位，連續(xù)發(fā)出目標(biāo)位置，形成連續(xù)的目標(biāo)規(guī)劃曲線，電機(jī)在跟隨過程中自然形成了位置與速度的雙指標(biāo)曲線，實(shí)現(xiàn)8路舵機(jī)聯(lián)動(dòng)。

從24個(gè)端口，P0.0、P1.0到P2.0，單DIV循環(huán)的最小時(shí)間只有8us，所以串行運(yùn)算是不行的，那么就采用并行運(yùn)算。

目前采用的并行算法是P0.0—P0.7為一個(gè)基本單位，8位一并。

實(shí)際案例：P1口的8個(gè)位置個(gè)不相同；

注意：N為整數(shù)，依照上表看出，由于整數(shù)原因，定位不能實(shí)現(xiàn)的有45度、60度等。

我們預(yù)計(jì)將整個(gè)周期控制在3.5-5ms內(nèi)；

由上圖得知：P1口的8個(gè)端在不同時(shí)間產(chǎn)生下降沿。

那么由上例如：我們的P1.5口，他的N為125

那么就需要它在125個(gè)DIV后產(chǎn)生下降沿，時(shí)間為（125*8us=1000us）。

我們?cè)谄渲邪l(fā)現(xiàn)2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：①時(shí)間參數(shù)N=125

②邏輯參數(shù) P1.5=#0DFH

邏輯參數(shù)的定義：如下，采用ANL指令，操作P1口。

例如：將P1.5口產(chǎn)生下降沿，就將# 0DFH 去“ANL” P1口。

邏輯“ANL”指令，馮“0”得“0”，不影響其他位。

① 開3.5ms定時(shí)中斷

② 取出8個(gè)端（P1.0-P1.7）的位置值，也就是8個(gè)N值；并賦予相應(yīng)的端邏輯參數(shù)；

④ 將N值做減法，求得：

⑤ 取出 M1，延時(shí)M1*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

取出 M2，延時(shí)M2*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

取出 M3，延時(shí)M3*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

取出 M4，延時(shí)M4*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

取出 M5，延時(shí)M5*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

取出 M6，延時(shí)M6*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

取出 M7，延時(shí)M7*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

取出 M8，延時(shí)M8*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；

⑥ 8個(gè)端的下降沿全部產(chǎn)生完畢，等待一定的Tw值，或等待3.5ms中斷的到來；

⑦ 中斷到來后，清理中斷標(biāo)志，然后結(jié)束該程序。RET

注意事項(xiàng)：當(dāng)進(jìn)行逐個(gè)排序延時(shí)的過程中，CPU要取出M1、M2、M3….M8，那么會(huì)有1個(gè)取數(shù)指令周期，當(dāng)CPU采用12MHz時(shí)為1us。最終應(yīng)該在第8個(gè)延時(shí)，即M8時(shí)扣除掉，具體指令參見指令集。

備注：37寄存器內(nèi)存放的是P1.7端口的N值；3F寄存器內(nèi)存放的是P1.7端口的ANL邏

輯參數(shù)值；

從左到右為N值從大到小排列          （大> N值 > 小）

所謂的“未知”：由于排列按照大到小順序，“未知”內(nèi)存放的為端口信息要根據(jù)排序

做相應(yīng)的調(diào)整。

備注：30H內(nèi)存放的是某位的N值，其值最大；

37H內(nèi)存放的是某位的N值，其值最小；

38H—3FH內(nèi)存放ANL數(shù)，可以根據(jù)其數(shù)值判斷出是具體那個(gè)端口的下降沿。

例如：其值為“#FBH”那么它就是P1.2；

所謂N差子程序，要觀察PWM口的邏輯時(shí)序特性。要求連續(xù)將8位端口分別產(chǎn)生

下降沿。所以有個(gè)先后問題，解決的方法有2種：

①打開8個(gè)時(shí)間中斷；

②按先后順序排列，先后觸發(fā)；

由于CPU不能開啟8個(gè)中斷，所以采用后者方法，那么，就可以得出以下結(jié)論：

第1個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N1- 0 =M1；

第2個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N2-N1=M2；

第3個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N3-N2=M3；

第4個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N4-N3=M4；

第5個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N5-N4=M5；

第6個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N6-N5=M6；

第7個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N7-N6=M7；

第8個(gè) 觸發(fā)位所用的時(shí)間為  N8-N7=M8；

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我們提出了1個(gè)掃尾的新概念：當(dāng)CPU執(zhí)行完8個(gè)位的下降沿操作后（最多為2.5ms），會(huì)有向下1個(gè)周期過渡的時(shí)間間隔，其主要為2個(gè)功能：

①保證下降沿的準(zhǔn)確性；

②為舵機(jī)的跟蹤留出足夠的時(shí)間；

        HG14-M舵機(jī)空載時(shí)：ω=300度/秒

發(fā)現(xiàn)與最快速度相差8倍之多！

必要條件：△T≥2.467ms

必要條件：△T≥2.467ms