標(biāo)題: 詳細(xì)的舵機控制原理資料 [打印本頁]
作者: dfevfvdvfd    時間: 2017-3-4 23:13
標(biāo)題: 詳細(xì)的舵機控制原理資料
目錄

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(biāo)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(guān)于掃尾問題... 14
（1）提出掃尾的概念... 14
（2）掃尾值的計算... 14
















一．舵機PWM信號介紹1．PWM信號的定義
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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于機器人行業(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(fù)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；


file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.gif

















其PWM格式注意的幾個要點：
（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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)方波，這時表現(xiàn)出來的跟隨性能很好、很緊密。

2．PWM信號控制精度制定
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image003.gif
















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
                  0uS ≤ N×DIV ≤ 2mS
                0.5mS ≤ 0.5Ms+N×DIV ≤ 2.5mS

二．單舵機拖動及調(diào)速算法1．舵機為隨動機構(gòu)
（1）當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時，將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動。
（2）當(dāng)其到達目標(biāo)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(biāo)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(biāo)位置。
所以我們的控制系統(tǒng)是一個目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)。

（1）HG14-M舵機的位置控制方法
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；







file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image004.gif


  
        
舵機角度= 0.74×N
   
   
   


  
        
PWM = 0.5 + N×DIV；（DIV=8us）
   
   
   











  
角度
  
0
45
90
135
180
  
N
  
0
3E
7D
BB
FA
  
PWM
  
0.5ms
1ms
1.5ms
2ms
2.5ms


（2）HG14-M舵機的運動協(xié)議





file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image007.jpg


file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image008.gif














運動時可以外接較大的轉(zhuǎn)動負(fù)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(biāo)。

















2．目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)的特征（1）舵機的追隨特性
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image009.gif












① 舵機穩(wěn)定在A點不動；
② CPU發(fā)出B點位置坐標(biāo)的PWM信號；
③ 舵機全速由A點轉(zhuǎn)向B點；





  
        
△ф = фB - фA
   
   
   
  
        
△T = △ф÷ω
   
   
   

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

那么，具體的保持（等待）時間如何來計算，如下講解：
令：保持時間為Tｗ
       當(dāng)Tｗ≥△T時，舵機能夠到達目標(biāo)，并有剩余時間；
當(dāng)Tｗ≤△T時，舵機不能到達目標(biāo)；
理論上：當(dāng)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(fù)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(fù)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。
目前采取的方法是經(jīng)驗選取ω值。


（2）舵機ω值測定
舵機的ω值隨時變化，所以只能測定一個平均值，或稱出現(xiàn)概率最高的點。
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(dāng)延時Tｗ到達后，觀察舵機是否到達目標(biāo)；
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(guān)系。

（3）舵機ω值計算
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。

（4）采用雙擺試驗驗證








file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image011.gif


   
         
觀察實驗過程中的Tｗ與△T的關(guān)系
     
     
   



   
         
發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Tｗ定在0.618秒時，利用示波器觀察到舵機能夠運動至2個目標(biāo)點。
     
則：Tｗ=△T= 0.618秒
     
     
   



   
         
實驗過程中，設(shè)定舵機運轉(zhuǎn)的目標(biāo)角度查為185度。
     
     
   



   
         
最終：ω=0.2秒/60度
     
     
   

  

















3．DAV的定義
將185度的轉(zhuǎn)角分為250個平均小份。
則：每小份為0.74度。

定義如下：DAV =0.74度
由于：ω = 0.2秒/60度
則：運行1 DAV所需時間為：0.72度÷0.2秒/60度 = 2.4 mS；


4．DIV的定義
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

定義如下：DIV = 8uS


file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image012.gif














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


5．單舵機調(diào)速算法


file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image013.gif




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”。


（1）舵機轉(zhuǎn)動時的極限下降沿PWM脈寬


file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image014.gif




△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。







file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image016.jpg

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image017.gif

  
















舵機Tｗ數(shù)據(jù)實驗表格
  
Tｗ值
  
舵機運轉(zhuǎn)特性
Tｗ與△T關(guān)系
該程序可行度
備注
  
500us
  
不能跟隨
Tｗ< △T
不可行


  
800us
  
不能跟隨
Tｗ< △T
不可行


  
1ms
  
不能跟隨
Tｗ< △T
不可行


  
  
  
1.1ms
  
跟隨
Tｗ≈ △T
可行
最快、平滑
  
1.2ms
  
跟隨
Tｗ> △T
可行
最快、平滑
  
1.6ms
  
跟隨
Tｗ> △T
可行
最快、平滑
  
2ms
  
跟隨
Tｗ> △T
可行
最快、平滑
  
2.6ms
  
跟隨
Tｗ> △T
可行
最快、平滑
  
10ms
  
跟隨
Tｗ>> △T
可行
較慢、平滑
  
20ms
  
跟隨
Tｗ>> △T
可行
較慢、平滑
  
30ms
  
跟隨
Tｗ>> △T
可行
較慢、平滑
  
40ms
  
跟隨
Tｗ>> △T
可以
較慢、微抖
  
50ms
  
跟隨
Tｗ>> △T
可以
很慢、微抖
  
  
  
70ms
  
跟隨
Tｗ>> △T
不可以
很慢、較抖
  
100ms
  
跟隨
Tｗ>> △T
不可以
很慢、較抖
  
  










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：


file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image018.gif








實際上由A到B的運動時間為：△T = Tｗ +（B點的）PWM



三．8舵機聯(lián)動單周期PWM指令算法1．控制要求
要求同時發(fā)給8個舵機位置目標(biāo)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(biāo)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(biāo)位置，形成連續(xù)的目標(biāo)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(biāo)曲線，實現(xiàn)8路舵機聯(lián)動。
2．注意事項
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；

  
端口
  
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
  
N寄存器
  
37H
36H
35H
34H
33H
32H
31H
30H
  
目標(biāo)位置（度）
  
180
135
90
60
50
45
0.74
0
  
N數(shù)值（整數(shù)）
  
250
187．5
125
81．1
67．6
62．5
1
0
  
PWM寬度ms
  
2.500
2.000
1.500
1.148
1.041
1.000
0.508
0.500
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。



file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image020.gif
  

















3．8路PWM信號發(fā)生算法解析
我們預(yù)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(guān)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。

  
        
      
      
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
備注
      
P1.0= # FEH
      
1
1
1
1
1
1
1
0


      
P1.1= # FDH
      
1
1
1
1
1
1
0
1


      
P1.2= # FBH
      
1
1
1
1
1
0
1
1


      
P1.3= # F7H
      
1
1
1
1
0
1
1
1


      
P1.4= # EFH
      
1
1
1
0
1
1
1
1


      
P1.5= # DFH
      
1
1
0
1
1
1
1
1


      
P1.6= # BFH
      
1
0
1
1
1
1
1
1


      
P1.7= # 7FH
      
0
1
1
1
1
1
1
1


   
   
   
   
ANL端口邏輯參數(shù)表









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。

具體的程序操作如下：
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(yīng)的端邏輯參數(shù)；
  
        
M5=N5-N4
   
M6=N6-N5
   
M7=N7-N6
   
M8=N8-N7
   
   
   
  
        
M1=N1
   
M2=N2-N1
   
M3=N3-N2
   
M4=N4-N3
   
   
   
③ 將這8個值由大到小排列，相應(yīng)端的邏輯參數(shù)值也隨著N的順序排列，一一對應(yīng)；
④ 將N值做減法，求得：




⑤ 取出 M1，延時M1*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；
取出 M2，延時M2*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；
取出 M3，延時M3*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；
取出 M4，延時M4*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；
取出 M5，延時M5*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；
取出 M6，延時M6*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；
取出 M7，延時M7*DIV，ANL相應(yīng)的邏輯參數(shù)；
取出 M8，延時M8*DIV，ANL相應(yīng)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(biāo)志，然后結(jié)束該程序。RET

注意事項：當(dāng)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(dāng)CPU采用12MHz時為1us。最終應(yīng)該在第8個延時，即M8時扣除掉，具體指令參見指令集。

4．N排序子程序RAM的制定
入口處

  
  
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
  
N值寄存器地址
  
37H
36H
35H
34H
33H
32H
31H
30H
  
ANL邏輯數(shù)寄存器地址
  
3FH
3EH
3DH
3CH
3BH
3AH
39H
38H
  
ANL邏輯數(shù)值
  
#7FH
#BFH
#DFH
#EFH
#F7H
#FBH
#FDH
#FEH
  
  

















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；

出口處
從左到右為N值從大到小排列          （大> N值 > �。�
  
N值寄存器地址
  
30H
31H
32H
33H
34H
35H
36H
37H
  
ANL邏輯數(shù)寄存器地址
  
38H
39H
3AH
3BH
3CH
3DH
3EH
3FH
  
ANL邏輯數(shù)值
  
未知
未知
未知
未知
未知
未知
未知
未知
  
  
















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��；
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；



5．N差子程序解析
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；

      大                          小
入口：30H 31H 32H 33H 34H 35H 36H 37H
由于上接排序字程序，所以已經(jīng)按照從大到小排列，做減法后差所以全為正數(shù)。
大  - 小
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image021.gif30H - 31H      30H
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image021.gif31H - 32H      31H
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image022.gif32H - 33H      32H
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image023.gif33H - 34H      33H
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image024.gif34H - 35H      34H
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image021.gif35H - 36H      35H
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image021.gif36H - 37H      36H
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image022.gif37H      37H


  
        
   
      
出口
      
30H
31H
32H
33H
34H
35H
36H
37H
      
      
差
差
差
差
差
差
差
原數(shù)
      
      
















   
   
   
   
   




  調(diào)用延時程序時，37H最先出，30H最后出。

6．關(guān)于掃尾問題（1）提出掃尾的概念
我們提出了1個掃尾的新概念：當(dāng)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(zhǔn)確性；
②為舵機的跟蹤留出足夠的時間；
當(dāng)PWM信號以最小變化量即（1DIV=8us）依次變化時，舵機的分辨率最高，但是速度會減慢。
例如：先發(fā)一個PWM信號N=125，相隔20ms后再發(fā)1個PWM信號N=126。那么舵機在20ms內(nèi)轉(zhuǎn)動了0.74度，計算得出：ω=0.74度/20ms= 37度/秒；
        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！
（2）掃尾值的計算
  
        
中斷延時2.8ms
   
   
   
圖中有A點、B點，





file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image025.gif


  
        
舵機從PWM_A發(fā)出后開始轉(zhuǎn)動，經(jīng)過△T時間后接收完畢PWM_B信號后，又重新開始新的轉(zhuǎn)動。
   
   
   








  
        
∵Tｗ=△T - PWM_ B
   
∴l(xiāng)imtTｗ=2.467ms-0.5ms= 1.967ms
   
   
   
PWM處在最小極限長度時：
PWM_A = 0.5ms
PWM_B = 0.5ms
必要條件：△T≥2.467ms

  
        
∵Tｗ=△T - PWM_ B
   
∴l(xiāng)imtTｗ=2.467ms-2.5ms= -0.033ms
   
   
   
PWM處在最長極限長度時：
PWM_A = 2.5ms
PWM_B = 2.5ms
必要條件：△T≥2.467ms
為了保證在2種極限情況下舵機都能正常工作，我們?nèi)�較長的延時，其經(jīng)驗值為2.8ms；這樣舵機都能正常跟隨而且速度接近最大值，采用中斷法延時2.8ms。


作者: yeyuaihaozhe    時間: 2017-9-10 12:17
樓主,可以給個完整版資料嗎,謝謝




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