詳細的舵機控制原理資料

一．舵機PWM信號介紹... 1

1．PWM信號的定義... 1

2．PWM信號控制精度制定... 2

二．單舵機拖動及調(diào)速算法... 3

1．舵機為隨動機構(gòu)... 3

（1）HG14-M舵機的位置控制方法... 3

（2）HG14-M舵機的運動協(xié)議... 4

2．目標規(guī)劃系統(tǒng)的特征... 5

（1）舵機的追隨特性... 5

（2）舵機ω值測定... 6

（3）舵機ω值計算... 6

（4）采用雙擺試驗驗證... 6

3．DAV的定義... 7

4．DIV的定義... 7

5．單舵機調(diào)速算法... 8

（1）舵機轉(zhuǎn)動時的極限下降沿PWM脈寬... 8

三．8舵機聯(lián)動單周期PWM指令算法... 10

1．控制要求... 10

2．注意事項... 10

3．8路PWM信號發(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．關于掃尾問題... 14

（1）提出掃尾的概念... 14

（2）掃尾值的計算... 14

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

目前，北京漢庫的HG14-M舵機可能是這個過渡時期的產(chǎn)物，它采用傳統(tǒng)的PWM協(xié)議，優(yōu)缺點一目了然。優(yōu)點是已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，成本低，旋轉(zhuǎn)角度大（目前所生產(chǎn)的都可達到185度）；缺點是控制比較復雜，畢竟采用PWM格式。

但是它是一款數(shù)字型的舵機，其對PWM信號的要求較低：

（1）   不用隨時接收指令，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電機；

（1）   上升沿最少為0.5mS，為0.5mS---2.5mS之間；

（2）   HG14-M數(shù)字舵機下降沿時間沒要求，目前采用0.5Ms就行；也就是說PWM波形可以是一個周期1mS的標準方波；

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

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1 DIV = 8uS ;250DIV=2mS

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

共185度，分為250個位置，每個位置叫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）當其未轉(zhuǎn)到目標位置時，將全速向目標位置轉(zhuǎn)動。

（2）當其到達目標位置時，將自動保持該位置。

所以對于數(shù)字舵機而言，PWM信號提供的是目標位置，跟蹤運動要靠舵機本身。

（3）像HG0680這樣的模擬舵機需要時刻供給PWM信號，舵機自己不能鎖定目標位置。

所以我們的控制系統(tǒng)是一個目標規(guī)劃系統(tǒng)。

舵機的轉(zhuǎn)角達到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)過實際測試和規(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 =1度/8us；

運動時可以外接較大的轉(zhuǎn)動負載，舵機輸出扭矩較大，而且抗抖動性很好，電位器的線性度較高，達到極限位置時也不會偏離目標。

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① 舵機穩(wěn)定在A點不動；

② CPU發(fā)出B點位置坐標的PWM信號；

③ 舵機全速由A點轉(zhuǎn)向B點；

④ CPU發(fā)出B點PWM信號后，應該等待一段時間，利用此時間舵機才能轉(zhuǎn)動至B點。

令：保持時間為Tｗ

       當Tｗ≥△T時，舵機能夠到達目標，并有剩余時間；

當Tｗ≤△T時，舵機不能到達目標；

理論上：當Tｗ=△T時，系統(tǒng)最連貫，而且舵機運動的最快。

實際過程中由于2個因素：

① 1個機器人身上有多個舵機，負載個不相同，所以ω不同；

② 某個舵機在不同時刻的外界環(huán)境負載也不同，所以ω不同；

則連貫運動時的極限△T難以計算出來。

依據(jù) ① 廠商的經(jīng)驗值；

② 采用HG14-M具體進行測試；

測試實驗：① 將CPU開通，并開始延時Tｗ；

② 當延時Tｗ到達后，觀察舵機是否到達目標；

測定時采用一段雙擺程序，伴隨示波器用肉眼觀察Tｗ與△T的關系。

一般舵機定為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)動的時間為185度÷360度/1.2秒 = 0.6167秒。

將185度的轉(zhuǎn)角分為250個平均小份。

則：每小份為0.74度。

則：運行1 DAV所需時間為：0.72度÷0.2秒/60度 = 2.4 mS；

舵機電路支持的PWM信號為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）對應的△T為：0.74度÷60度/0.2秒 =2.4 67mS.。

測試內(nèi)容：將后部下降沿的時間拉至30ms沒有問題，舵機照樣工作。

將后部下降沿的時間拉至10ms沒有問題，舵機照樣工作。

         將后部下降沿的時間拉至2.6ms沒有問題，舵機照樣工作。

         將后部下降沿的時間拉至500us沒有問題，舵機照樣工作。

實踐檢驗出：下降沿時間參數(shù)可以做的很小。目前實驗降至500uS，依然工作正常。

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

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

△T：舵機運轉(zhuǎn)1DAV（7.4度）所需要的最小時間，目前計算出的數(shù)值為2.467mS；

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

令人質(zhì)疑的地方為1.1ms時的表現(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)，電機真正的啟動點如下圖：

實際上由A到B的運動時間為：△T = Tｗ +（B點的）PWM

要求同時發(fā)給8個舵機位置目標值，該指令的執(zhí)行周期盡量短，目的有2個：

其一，是為了將來擴充至24舵機；其二，目標越快，舵機的轉(zhuǎn)動速度越快；

我們以8路為1組或稱1個單位，連續(xù)發(fā)出目標位置，形成連續(xù)的目標規(guī)劃曲線，電機在跟隨過程中自然形成了位置與速度的雙指標曲線，實現(xiàn)8路舵機聯(lián)動。

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

目前采用的并行算法是P0.0—P0.7為一個基本單位，8位一并。

實際案例：P1口的8個位置個不相同；

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

我們預計將整個周期控制在3.5-5ms內(nèi)；

由上圖得知：P1口的8個端在不同時間產(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DIV后產(chǎn)生下降沿，時間為（125*8us=1000us）。

我們在其中發(fā)現(xiàn)2個關鍵參數(shù)：①時間參數(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定時中斷

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

④ 將N值做減法，求得：

⑤ 取出 M1，延時M1*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

取出 M2，延時M2*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

取出 M3，延時M3*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

取出 M4，延時M4*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

取出 M5，延時M5*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

取出 M6，延時M6*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

取出 M7，延時M7*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

取出 M8，延時M8*DIV，ANL相應的邏輯參數(shù)；

⑥ 8個端的下降沿全部產(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，清理中斷標志，然后結(jié)束該程序。RET

注意事項：當進行逐個排序延時的過程中，CPU要取出M1、M2、M3….M8，那么會有1個取數(shù)指令周期，當CPU采用12MHz時為1us。最終應該在第8個延時，即M8時扣除掉，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�。�

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。所以有個先后問題，解決的方法有2種：

①打開8個時間中斷；

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 觸發(fā)位所用的時間為  N1- 0 =M1；

第2個 觸發(fā)位所用的時間為  N2-N1=M2；

第3個 觸發(fā)位所用的時間為  N3-N2=M3；

第4個 觸發(fā)位所用的時間為  N4-N3=M4；

第5個 觸發(fā)位所用的時間為  N5-N4=M5；

第6個 觸發(fā)位所用的時間為  N6-N5=M6；

第7個 觸發(fā)位所用的時間為  N7-N6=M7；

第8個 觸發(fā)位所用的時間為  N8-N7=M8；

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我們提出了1個掃尾的新概念：當CPU執(zhí)行完8個位的下降沿操作后（最多為2.5ms），會有向下1個周期過渡的時間間隔，其主要為2個功能：

①保證下降沿的準確性；

②為舵機的跟蹤留出足夠的時間；

        HG14-M舵機空載時：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