详细的舵机控制原理资料

1、目录一舵机PWM信号介绍11PWM信号的定义12PWM信号控制精度制定2二单舵机拖动及调速算法31舵机为随动机构3（1）HG14-M舵机的位置控制方法3（2）HG14-M舵机的运动协议42目标规划系统的特征5（1）舵机的追随特性5（2）舵机值测定6（3）舵机值计算6（4）采用双摆试验验证63DAV的定义74DIV的定义75单舵机调速算法8（1）舵机转动时的极限下降沿PWM脉宽8三8舵机联动单周期PWM指令算法101控制要求102注意事项1038路PWM信号发生算法解析114N排序子程序RAM的制定125N差子程序解析136关于扫尾问题14（1）提出扫尾的概念14（2）扫尾值的计算14一舵机PW

2、M信号介绍1PWM信号的定义PWM信号为脉宽调制信号，其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时间宽度。具体的时间宽窄协议参考下列讲述。我们目前使用的舵机主要依赖于模型行业的标准协议，随着机器人行业的渐渐独立，有些厂商已经推出全新的舵机协议，这些舵机只能应用于机器人行业，已经不能够应用于传统的模型上面了。目前，北京汉库的HG14-M舵机可能是这个过渡时期的产物，它采用传统的PWM协议，优缺点一目了然。优点是已经产业化，成本低，旋转角度大（目前所生产的都可达到185度）；缺点是控制比较复杂，毕竟采用PWM格式。但是它是一款数字型的舵机，其对PWM信号的要求较低：（1） 不用随时接收指令，减少CPU的疲

3、劳程度；（2） 可以位置自锁、位置跟踪，这方面超越了普通的步进电机；图1-1其PWM格式注意的几个要点：（1） 上升沿最少为0.5mS，为0.5mS-2.5mS之间；（2） HG14-M数字舵机下降沿时间没要求，目前采用0.5Ms就行；也就是说PWM波形可以是一个周期1mS的标准方波；（3） HG0680为塑料齿轮模拟舵机，其要求连续供给PWM信号；它也可以输入一个周期为1mS的标准方波，这时表现出来的跟随性能很好、很紧密。2PWM信号控制精度制定我们采用的是8位AT89C52CPU，其数据分辨率为256，那么经过舵机极限参数实验，得到应该将其划分为250份。那么0.5mS-2.5Ms的宽度为

4、2mS = 2000uS。2000uS250=8uS则：PWM的控制精度为8us我们可以以8uS为单位递增控制舵机转动与定位。舵机可以转动185度，那么185度250=0.74度，则：舵机的控制精度为0.74度图1-21 DIV = 8uS ; 250DIV=2mS时基寄存器内的数值为：（#01H）01 -（#0FAH）250。共185度，分为250个位置，每个位置叫1DIV。则：185250 = 0.74度 / DIVPWM上升沿函数： 0.5mS + NDIV 0uS NDIV 2mS 0.5mS 0.5Ms+NDIV 2.5mS二单舵机拖动及调速算法1舵机为随动机构（1）当其未转到目标位

5、置时，将全速向目标位置转动。（2）当其到达目标位置时，将自动保持该位置。所以对于数字舵机而言，PWM信号提供的是目标位置，跟踪运动要靠舵机本身。（3）像HG0680这样的模拟舵机需要时刻供给PWM信号，舵机自己不能锁定目标位置。所以我们的控制系统是一个目标规划系统。（1）HG14-M舵机的位置控制方法舵机的转角达到185度，由于采用8为CPU控制，所以控制精度最大为256份。目前经过实际测试和规划，分了250份。具体划分参见250份划分原理。将0185分为250份，每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms2.5ms，宽度2ms。2ms250=8us；所以得出：PWM信号 = 1度/8u

6、s；0.5ms-2.5ms0.5ms-30ms舵机角度= 0.74NPWM = 0.5 + NDIV；（DIV=8us）角度04590135180N03E7DBBFAPWM0.5ms1ms1.5ms2ms2.5ms（2）HG14-M舵机的运动协议舵机的转动方向为:逆时针为正转对应N值N=#00H，=0度N=#F5H，=180度1 N 245运动时可以外接较大的转动负载，舵机输出扭矩较大，而且抗抖动性很好，电位器的线性度较高，达到极限位置时也不会偏离目标。2目标规划系统的特征（1）舵机的追随特性角度BA舵机的转速为T时间 舵机稳定在A点不动； CPU发出B点位置坐标的PWM信号； 舵机全速由A点

7、转向B点； T = = B - A CPU发出B点PWM信号后，应该等待一段时间，利用此时间舵机才能转动至B点。那么，具体的保持（等待）时间如何来计算，如下讲解：令：保持时间为T 当TT时，舵机能够到达目标，并有剩余时间；当TT时，舵机不能到达目标；理论上：当T=T时，系统最连贯，而且舵机运动的最快。实际过程中由于2个因素： 1个机器人身上有多个舵机，负载个不相同，所以不同； 某个舵机在不同时刻的外界环境负载也不同，所以不同；则连贯运动时的极限T难以计算出来。目前采取的方法是经验选取值。（2）舵机值测定舵机的值随时变化，所以只能测定一个平均值，或称出现概率最高的点。依据 厂商的经验值； 采用H

8、G14-M具体进行测试；测试实验： 将CPU开通，并开始延时T； 当延时T到达后，观察舵机是否到达目标；测定时采用一段双摆程序，伴随示波器用肉眼观察T与T的关系。（3）舵机值计算一般舵机定为0.16-0.22秒/60度；取0.2秒/60度 1.2秒/360度 0.617秒/185度则为360度/1.2秒，2/1.2秒=300度/秒那么185度转动的时间为185度360度/1.2秒 = 0.6167秒。（4）采用双摆试验验证观察实验过程中的T与T的关系发现：当T定在0.618秒时，利用示波器观察到舵机能够运动至2个目标点。则：T=T= 0.618秒实验过程中，设定舵机运转的目标角度查为185度。

9、最终：=0.2秒/60度3DAV的定义将185度的转角分为250个平均小份。则：每小份为0.74度。定义如下：DAV = 0.74度由于： = 0.2秒/60度则：运行1 DAV所需时间为：0.72度0.2秒/60度 = 2.4 mS；4DIV的定义舵机电路支持的PWM信号为0.5mS2.5mS，总间隔为2mS。若分为250小份，则2mS250 = 0.008 mS = 8uS定义如下：DIV = 8uS角度BAT时间 T = = B - A那么1 DAV（0.74度）对应的T为：0.74度60度/0.2秒 =2.4 67mS.。5单舵机调速算法0.5ms-30ms测试内容：将后部下降沿的时间

10、拉至30ms没有问题，舵机照样工作。将后部下降沿的时间拉至10ms没有问题，舵机照样工作。 将后部下降沿的时间拉至2.6ms没有问题，舵机照样工作。 将后部下降沿的时间拉至500us没有问题，舵机照样工作。实践检验出：下降沿时间参数可以做的很小。目前实验降至500uS，依然工作正常。原因是：（1）舵机电路自动检测上升沿，遇上升沿就触发，以此监测PWM脉宽“头”。 （2）舵机电路自动检测下降沿，遇下降沿就触发，以此监测PWM脉宽“尾”。（1）舵机转动时的极限下降沿PWM脉宽T20msT：舵机运转1DAV（7.4度）所需要的最小时间，目前计算出的数值为2.467mS；T前面的20 mS等待时间可以

11、省略，舵机依然工作；而且得出舵机跟随的最快驱动方式。T极限转动方式实验得出 1.1ms T 50ms；具体实验数据参照下表跟随算法舵机T数据实验表格T值舵机运转特性T与T关系该程序可行度备注500us不能跟随T T不可行800us不能跟随T T不可行1ms不能跟随T T可行最快、平滑1.6ms跟随T T可行最快、平滑2ms跟随T T可行最快、平滑2.6ms跟随T T可行最快、平滑10ms跟随T T可行较慢、平滑20ms跟随T T可行较慢、平滑30ms跟随T T可行较慢、平滑40ms跟随T T可以较慢、微抖50ms跟随T T可以很慢、微抖70ms跟随T T不可以很慢、较抖100ms跟随T T不可

12、以很慢、较抖令人质疑的地方为1.1ms时的表现，得出的T T；也就是说1.1ms = 2.467ms，显然存在问题。经过考虑重新观察PWM波形图发现，电机真正的启动点如下图：B点的PWM启动点B启动点AT极限转动方式实际上由A到B的运动时间为：T = T +（B点的）PWM三8舵机联动单周期PWM指令算法1控制要求要求同时发给8个舵机位置目标值，该指令的执行周期尽量短，目的有2个：其一，是为了将来扩充至24舵机；其二，目标越快，舵机的转动速度越快；我们以8路为1组或称1个单位，连续发出目标位置，形成连续的目标规划曲线，电机在跟随过程中自然形成了位置与速度的双指标曲线，实现8路舵机联动。2注意事

13、项从24个端口，P0.0、P1.0到P2.0，单DIV循环的最小时间只有8us，所以串行运算是不行的，那么就采用并行运算。目前采用的并行算法是P0.0P0.7为一个基本单位，8位一并。实际案例：P1口的8个位置个不相同；端口P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0N寄存器37H36H35H34H33H32H31H30H目标位置（度）180135906050450.740N数值（整数）250187512581167662510PWM宽度ms2.5002.0001.5001.1481.0411.0000.5080.500注意：N为整数，依照上表看出，由于整数原因，定位不能实

14、现的有45度、60度等。时间TT为一个周期，分为2部分1 PWM宽2 延时等待TwPWM38路PWM信号发生算法解析我们预计将整个周期控制在3.5-5ms内；由上图得知：P1口的8个端在不同时间产生下降沿。那么由上例如：我们的P1.5口，他的N为125那么就需要它在125个DIV后产生下降沿，时间为（125*8us=1000us）。我们在其中发现2个关键参数：时间参数N=125逻辑参数 P1.5=#0DFH逻辑参数的定义：如下，采用ANL指令，操作P1口。P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0备注P1.0= # FEH11111110P1.1= # FDH111111

15、01P1.2= # FBH11111011P1.3= # F7H11110111P1.4= # EFH11101111P1.5= # DFH11011111P1.6= # BFH10111111P1.7= # 7FH01111111ANL端口逻辑参数表例如：将P1.5口产生下降沿，就将# 0DFH 去“ANL” P1口。逻辑“ANL”指令，冯“0”得“0”，不影响其他位。具体的程序操作如下： 开3.5ms定时中断 取出8个端（P1.0-P1.7）的位置值，也就是8个N值；并赋予相应的端逻辑参数；M5=N5-N4M6=N6-N5M7=N7-N6M8=N8-N7M1=N1M2=N2-N1M3=N3

16、-N2M4=N4-N3 将这8个值由大到小排列，相应端的逻辑参数值也随着N的顺序排列，一一对应； 将N值做减法，求得： 取出 M1，延时M1*DIV，ANL相应的逻辑参数；取出 M2，延时M2*DIV，ANL相应的逻辑参数；取出 M3，延时M3*DIV，ANL相应的逻辑参数；取出 M4，延时M4*DIV，ANL相应的逻辑参数；取出 M5，延时M5*DIV，ANL相应的逻辑参数；取出 M6，延时M6*DIV，ANL相应的逻辑参数；取出 M7，延时M7*DIV，ANL相应的逻辑参数；取出 M8，延时M8*DIV，ANL相应的逻辑参数； 8个端的下降沿全部产生完毕，等待一定的Tw值，或等待3.5ms

17、中断的到来； 中断到来后，清理中断标志，然后结束该程序。RET注意事项：当进行逐个排序延时的过程中，CPU要取出M1、M2、M3.M8，那么会有1个取数指令周期，当CPU采用12MHz时为1us。最终应该在第8个延时，即M8时扣除掉，具体指令参见指令集。4N排序子程序RAM的制定入口处P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0N值寄存器地址37H36H35H34H33H32H31H30HANL逻辑数寄存器地址3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38HANL逻辑数值#7FH#BFH#DFH#EFH#F7H#FBH#FDH#FEH备注：37寄存器内存放的是P1.7端口的

18、N值；3F寄存器内存放的是P1.7端口的ANL逻辑参数值；出口处从左到右为N值从大到小排列 （大 N值 小）N值寄存器地址30H31H32H33H34H35H36H37HANL逻辑数寄存器地址38H39H3AH3BH3CH3DH3EH3FHANL逻辑数值未知未知未知未知未知未知未知未知所谓的“未知”：由于排列按照大到小顺序，“未知”内存放的为端口信息要根据排序做相应的调整。备注：30H内存放的是某位的N值，其值最大；37H内存放的是某位的N值，其值最小；38H3FH内存放ANL数，可以根据其数值判断出是具体那个端口的下降沿。例如：其值为“#FBH”那么它就是P1.2；5N差子程序解析所谓N差子

19、程序，要观察PWM口的逻辑时序特性。要求连续将8位端口分别产生下降沿。所以有个先后问题，解决的方法有2种：打开8个时间中断；按先后顺序排列，先后触发；由于CPU不能开启8个中断，所以采用后者方法，那么，就可以得出以下结论：第1个 触发位所用的时间为 N1- 0 =M1；第2个 触发位所用的时间为 N2-N1=M2；第3个 触发位所用的时间为 N3-N2=M3；第4个 触发位所用的时间为 N4-N3=M4；第5个 触发位所用的时间为 N5-N4=M5；第6个 触发位所用的时间为 N6-N5=M6；第7个 触发位所用的时间为 N7-N6=M7；第8个 触发位所用的时间为 N8-N7=M8； 大 小入口：30H 31H 32H 33H 34H 35H 36H 37H由于上接排序字程序，所以已经按照从大到小排列，做减法后差所以全为正数。大 - 小30H - 31H 30H31H - 32H 31H32H - 33H 32H33H - 34H 33H34H - 35H 34H35H - 36H 35H36H - 37H 36H37H 37H出口30H31H32H33H34H35H36H3