机器人中舵机应用原理毕业论文

1、引 言机器人是上个世纪中叶迅速开展起来的高新技术密集的机电一体化产品，在兴旺国家，工业机器人已经得到广泛的应用。随着科学技术的开展，机器人的应用范围也日益扩大，普及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越亲身地感受到机器人的深入生产，深入生活，深入社会的坚实步伐。机器人技术在不断开展提高，机器人系统中的驱动装置也在不断更新，用以满足更高的控制要求。舵机就是在机器人驱动装置开展中诞生的新型驱动装置。本次毕业设计用实验检测的方法对舵机电路的工作原理进行了研究分析，用单片机实现了对舵机的控制，概述了程序控制思路，并提出了一种单片机对舵机的闭环控制方式，并根据提出的

2、闭环控制思路进行了闭环控制系统的设计并对控制系统做了相应的实验。1、概述1.1机器人的定义及应用环境机器人是能自动执行工作的机器装置。既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术制定的原那么行动。它的任务是协助或取代人类的一些工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。机器人的产生是一个科学技术开展的综合结果，也是生产力开展的必然结

3、果，人们总是期待有种机器能够代替我们去从事复杂和繁重的体力劳动，社会的开展总是需要进行大批量的生产制造，需要不断的提高生产效率，可以说机器人是为了满足我们的开展需要而创造出来的。而后开展的各种各样的机器人也是由于人类的需要所设计的，随着人们需求角度的增加，各种各样的机器人还会在今后问世。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人那么是除工业机器人之外的、用于非制造业并效劳于人类的各种先进机器人，包括：效劳机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等。1.2机器人系统组成机器人的所

4、有部件够成了一个整体的运行系统，该系统由执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统和复杂机械等组成。机器人的系统组成如图1：图1 机器人系统组成图执行机构一般为机器人本体，各种机器人的执行机构各不相同，最平常的为移动装置和机械臂等。对于正在飞速开展的拟人化机器人而言，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于控制电路使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置的作用是实时检测机器人的

5、运动及工作情况，根据需要反应给控制系统，与设定信息进行比拟后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。控制系统为微型计算机控制，实现机器人的运行。控制系统就相当于机器人的大脑，机器人的所有动作，都是根据控制系统发出的指令完成的。1.3机器人技术的开展方向机器人技术随着科技的开展在不断提高，不断更新，未来机器人技术的开展方向要从以下几个方面讲。首先是软件及其控制方式，也就是机器人的大脑。现在多数机器人都是有固定的程序，将来的机器人要有自己学习的能力以及对环境的感知能力，使其更具人性化，好的控制方式可以提高机器人的工作特性，使执行机构的运动更加合理。对机器人的控制常见的方法有独立PI

6、D控制、模糊自适应控制、反演控制、滑模控制、自适应鲁棒控制等，这些都是靠软件程序实现。根据不同的机器人不同的驱动装置，机器人的控制方式也不相同，随着机器人技术的开展，新型的控制方式也会不断出现，但目的都是使机器人工作更智能、更稳定，响应速度更快，更好的满足控制特性要求。而对于控制方式这个方向的开展有很多的可能，人工智能、神经网络等都属于其技术开展方向，以后会有很多新的理念和科技出现。其次是硬件，也就是机器人的身体。很多人认为长得像人的才是机器人，实际上世界上大多数的机器人都不是人形的。由于现今技术的限制，机器人还不够灵活，本身的限制还很多。将来生物芯片、新的电机和电池技术会让机器人更加灵活，处

7、理事务更快，控制更加精准。从重要性上来讲，还是软件控制方法的制约比拟大，要想真的实现可以自主学习的机器人，人类还要走很久的路。所以总的来说，机器人的开展方向是向更加智能，更加灵活，更加有自主学习和对环境的感知能力。2、机器人中的驱动装置舵机随着机器人技术的开展，其驱动装置也在不断的更新，这就在机器人驱动装置中诞生了一个新的词汇，那就是舵机。在当代各式各样的机器人中，舵机已经变成了最关键、大量使用的部件，对于小型机器人来说，舵机的使用更为常见，因为它体积小、功率相对强劲，而且控制接口的连接非常简单。依据控制方式的特点，舵机也称为微型伺服马达。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称

8、舵机，后来逐渐应用在机器人上，随着机器人技术的开展，越来越多的机器人驱动装置用到了舵机。舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动到一个比拟精确的角度，非常适合在关节型机器人产品上使用。仿人型机器人就是舵机运用的最高境界。舵机的种类多种多样，大体种类有模拟舵机、数字舵机、电动舵机、气动舵机、总线舵机等，它们的控制方式也不尽相同。每一个种不同的舵机，也会有不同的型号，每个生产舵机的公司都在努力研制有自己独立特点的舵机，相信今后的舵机生产技术会不断的提高。模拟舵机是舵机开展的根底，本毕业设计主要对模拟舵机进行了分析和研究，所以在本文的内容也是围绕模拟舵机展开的。2.1舵机作为机器人驱动装置的优点舵机

9、作为机器人的驱动装置有它特定的优点，当然，也不是所有的机器人都应该用舵机进行驱动，这里要视情况而定。当代的机器人所采用的驱动装置多为步进电机、直流电机。下面对两种种驱动装置的特点加以比拟。步进电机的一项重要的优点是可以精确的控制输出轴的转角位置，一般而言，只要步进电机正常工作，它就可以提供精确的位置精度，因为通常步进电机的每一步都不到1。但步进电机必须按照一定的顺序给各个绕组供电，不断循环,才能让步进电机维持持续的旋转。如果打算用步进电机驱动机器人，就必须应付随之而来的控制电流的麻烦,另外需要指出，与一般的直流电机相比，步进电机所提供的转矩比拟小，消耗的电量却比拟大。步进电机在工作过程中，每接

10、收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步，假设连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动，但往往在工作中，步进电时机产生丢步问题。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数。产生的原因也不同，通常产生的原因有；转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场，转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度或步进电动机及所带负载存在惯性过大等。这就更加大了步进电机的控制难度。直流电机具有良好的起、制动性能，适合用在广泛范围内平滑调速，比拟容易用各种方法对直流电机进行测速，控制简单，调速方便，但直流电机往往转速很快。而机器人在运动时，执行机构往往不需要很快的速度，有时甚至一分钟内只需要几转，这就必须参加特定的装置对直流电机

11、进行减速。直流电机在运行过程中，想要控制电机的输出轴转到指定的位置很难，但随着控制理论和控制技术的开展，使用直流电机构成的位置伺服系统完全可以到达这种控制要求。舵机就是这种控制的一个实例，它是在直流电机上参加了伺服环节，使其可以实现输出转角的控制。舵机的根本组成分为三局部；一个直流电机、一个内置减速器、一个内置的位置反应器。所以舵机集成了直流电机的优点，并能通过内置减速器和位置反应器实现输出转角位置的精确控制，减速器也把直流电机的转速成倍的减小，通过齿轮组又加大了电机的转矩，转矩的加大可以明显的提高负载承受能力。但是常用的舵机也存在一些缺点，例如由于体积和结构原因，对于电机转速的直接测量有一定

12、的难度，这对于直接速度闭环的实现加大了难度，进而会影响舵机的控制特性。本次毕业设计的目的就是探讨一种能够提高舵机输出轴位置控制特性的方法。2.2舵机的组成结构 舵机是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。其结构如图2所示。它能够利用简单的输入信号比拟精确的控制转动角度的机电系统。舵机内部有一个电位器或其它角度传感器用于检测输齿轮箱输出轴转动角度，控制器根据电位器的信息能比拟精确的控制和保持输出轴的角度。图2 舵机结构图舵机的主体结构主要有几个局部组成：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路等。图3就是一个模拟的舵机实物图：图3 舵机实物图舵机的外壳一般

13、是塑料的，特殊的舵机可能会有铝合金外壳。金属外壳能够提供更好的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。齿轮箱有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差异。塑料齿轮本钱底，噪音小，但强度较低；金属齿轮强度高，但本钱高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。小扭矩舵机、微舵、扭矩大但功率密度小的舵机一般都用塑料齿轮，如Futaba 3003，辉盛的9g微舵。金属齿轮一般用于功率密度较高的舵机上，比方辉盛的995舵机。995在和3003一样体积的情况下却能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用钛合金作为齿轮材料，其高强度能保证3003大小的舵机能提供

14、20几公斤的扭矩。混合齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中。舵机的控制电路中，一般都含有两种芯片：信号调制芯片和电机驱动芯片，用信号调制芯片来获得直流偏置电压，用驱动芯片驱动电机正反转，驱动芯片多为H桥，这两块芯片就相当于控制电路的大脑，除了两种芯片外还有假设干的电阻电容连接在电路中。每一种舵机的控制电路中，所用的芯片型号各不相同，但是整体工作原理大致相同。图4为舵机内部实物图如下：图4 舵机内部实物图2.3舵机工作原理下面按图2所示的舵机结构框图对舵机的控制原理做一论述。控制电路接收控制脉冲，此脉冲信号信号经过调制后得到一个直流偏置电压。此电压输入到电机驱动电路，驱动电路根据直流偏置电压的上下

15、，通过H桥电路驱动电机转动，齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出。电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度并反应至控制电路。控制电路检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。模拟舵机需要一个外部控制器产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期为 20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90 度到+90 度的位置。如图5所示：图5舵机输出转角图在0.5ms-2.5ms范围内的脉宽可以通过控制器随意调节，根据脉宽的变化，舵机的旋转角度就会根据所给脉冲宽度旋转到指

16、定的角度。脉宽调制信号的产生可以有多种方法，例如可以使用FPGA、模拟电路、单片机构成舵机的控制器。FPGA本钱高且电路复杂，不宜实现控制，但是脉宽输出精度很高。模拟电路中，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求。从电路体积和功耗考虑也不易采用，5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以到达舵机的控制精度要求。单片机系统是一个数字系统，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、本钱低、体积小的特点，并可根据

17、不同的舵机数量加以灵活应用。2.4舵机参数舵机的参数主要有几个方面：转速、转矩、电压、尺寸、重量和材质等。机器人中使用什么样的舵机，舵机是否满足控制要求需要对以上几个方面进行综合考虑。1、转速转速由舵机无负载的情况下转过60角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在0.11S/600.21S/60之间。在设计机器人时要选择速度适宜的舵机，以便机器人的执行机构能够满足控制要求，如何选择视情况而定。2、转矩舵机转矩的单位是KGCM，可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1CM处，舵机能够带动的物体重量。通俗讲舵机的转矩高，舵机的力量就大，但转矩高的舵机一般本钱较高，在选择的时候要选择适宜转矩的舵机。比

18、方在人形机器人中，两条腿需要支撑整个身体的运动，承受整个身体的重量，所以腿部所使用的舵机必须能够提供大的转矩，满足机器人的运动机制。3、电压工作电压和舵机的速度、转矩息息相关，在4.8V和6V两种工作电压下这两个参数有比拟大的差异。如Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg、速度为 0.22 秒，在 6.0V 时扭力为 5.2kg、速度为 0.18 秒。假设无特别注明，JR 的舵机都是以 4.8V 为工作电压，Futaba那么是以 6.0V 作为工作电压。 舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。当然，有的舵机可以在7V以上工作，12V的舵

19、机也不少。较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。选择舵机还需要看机器人的控制卡所能提供的电压。4、尺寸、重量和材质舵机的功率速度转矩和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一般同样品牌的舵机，功率密度大的价格高。塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿，金属齿轮的舵机那么可能会电机过热损毁或外壳变形。所以材质的选择并没有绝对的倾向，关键是将舵机使用在设计规格之内。3、舵机电路结构实验与工作原理分析本毕业设计最重要的一项内容就是以futaba s3003模拟舵机为研究对象，分析了解舵机内部电路结构并对舵机工作原理进行深入的研究。并根据研究的结果，分析研究对舵机电路改善方案，以满足更高

20、的控制特性要求。舵机的控制电路是控制整个舵机运行的重要局部，理解舵机的工作原理就要从控制电路入手，从控制电路的芯片入手。由于无法找到关于futaba s3003模拟舵机控制电路中芯片的具体资料，所以毕业设计中采用对电路进行实验，用直接检测的方法研究舵机的工作原理。用检测的方法去验证电路中原件参数的选择是否合理，验证控制芯片如何控制舵机工作。本次毕业设计中使用的futaba s3003模拟舵机的电路图如图6所示：图6 futaba s3003的舵机电路框图电路由一块信号调制芯片BA6688L，一块电机驱动芯片BAL6686为H桥驱动电路，一个直流电机，一个5K电位器，及相应的电阻电容构成。3.1

21、实验内容及实验结果由电路框图可知在舵机电路中两块芯片是整个控制电路的关键器件，因此把主要检测对象放在这两块芯片上。检测方法是在电路运行过程中，用示波器对芯片的管脚波形进行检测，调节控制器的脉冲宽度分别是周期为20ms的0.5ms ，1ms ，1.5ms ，2ms ，2.5ms的正脉宽，各个管脚的波形会根据输入的脉冲宽度按照一定的规律变化，记录各个管脚的电压波形变化情况。由于舵机的电路全部封装在舵机的外壳内，示波器的信号笔无法触到芯片管脚，想要对其电路进行检测存在一定的困难。所采用的方法是拆开舵机外壳，给芯片的管脚焊接连接线，把连接线引出舵机外壳，以方便测量，需要注意的是连接线一定绝缘，否那么会

22、引起控制电路的短路，可能会损坏整个舵机电路。信号调制芯片BA6688L的管脚电压检测信号调制芯片BA6688L中有几个环节，分别为线性脉冲产生器、参考电压调节器、脉冲宽度比拟器和脉冲展宽器。芯片通过这几个环节的组合作用，实现对输入脉冲信号的解调。2、3管脚为芯片中脉冲展宽器的输出，通过滤波电容进行滤波后把信号传送给电机驱动芯片BAL6686，以起到对驱动电路的控制作用。由于舵机在闭环过程中，电机转动到指定角度后很快停止，这个过程只用了很短的时间，且电机一但转动就会产生一定的电磁干扰。因此无法很快检测到波形的变化，所以采用断开电机让电机停转的方式，也就是断开了反应环节的方法对管脚波形进行检测。

23、2管脚无法检测到波形变化，3管脚在五种输入脉冲变化下的波形变化如图7：图7 信号调制芯片3管脚波形变化图得到占空比不断变化上下电平近似相等的方波，这些经过展宽后的方波进入电机驱动芯片，由此可以看出电机的转动是靠调整方波占空比的驱动方式。7管脚也与脉冲展宽器相连，用来设置脉冲展宽器的增益，检测到的波形变化如图8：图8 信号调制芯片7管脚变化结果通过检测得到固定的三角波，因此推断出芯片的脉冲展宽器增益不变。8管脚与芯片中的参考电压调节器相连，管脚外接电位器的一端。通过电路框图得知参考电压调节器这个模块在芯片中属于独立模块与其它模块并未相连，通过检测结果得知，其管脚电压固定为2.14V，属于参考基准

24、电压。9、11管脚与芯片内部的线性脉冲产生器相连。检测后9管脚为固定的电压值1.32V。检测后11管脚的波形结果图9：图9 信号调制芯片11管脚波形变化结果得到周期近似不变，但电压幅值根据输入脉冲变化的三角波。10管脚为两个反应环节的信号叠加，取自电机的速度反应和和取自电位器的位置反应，通过叠加后由10管脚进入信号调制芯片的线性脉冲产生器。给定正脉宽为0.5ms，1ms ，1.5ms ，2ms ，2.5ms的五种脉冲，10管脚的检测结果分别为五个幅值不同的电压值0.38V，0.81V，1.25V，1.68V和2.08V，与11管脚实现电压信号的叠加。 电机驱动芯片BALl6686的管脚电压检测

25、对电机的驱动芯片BAL6686进行检测时，通过电路框图可知2、6管脚连接电机转动，分别接电机两端，电机的转动规律必定跟2、6管脚的波形变化相关。所以对2、6管脚同时检测，由于闭环时电机转动到一个角度后很快停止，示波器不能很快跟踪到波形变化情况。所以先断开电机，检测开环时驱动芯片2、6管脚的变化情况。检测结果如图10：图10 开环时驱动芯片2、6管脚的变化结果如检测结果所示，2、6管脚电平正好相反，因此满足直流电机转动要求。但开环时的检测结果并不能准确反映电路的运行情况，需要让电机转动带上反应装置进一步测量舵机闭环时的2、6管脚波形变化情况。但电机一旦转动，就会产生相应的电磁干扰，波形的变化情况

26、会不稳定，而且闭环结果会在很快的速度内让电机停转，下一个脉冲来临后电机继续转动。因此只能近似描绘出闭环时2、6管脚的波形变化。闭环运行时驱动芯片2、6管脚的波形变化情况如图11：图11 闭环运行时驱动芯片2、6管脚的波形变化结果以上的波形图只是一个近似情况，在电机转动时对管脚波形的抓拍，电机转到指定角度后会停止，停止后不会再有波形的变化。2、6管脚都恒定为固定的电压值2.12V和-2.16V。以上的波形图并没有标注波形周期或正负脉冲宽度，因为它不是周期波形，在电机转动中它会变化，随着电机将要停转时，2、6管脚也就会变成稳定电压值。可以观察出在输入0.5ms脉宽时，管脚波形已经是两个平稳的电压，

27、因为此时的舵机并没有转动而是停在-90。当1ms的脉宽到来时，舵机才开始转动。还有一点需要注意，在2.5ms时，波形跟前几种脉冲有很大的区别，原因是在这时候舵机已经停在了舵盘上90的位置，舵盘不能再继续转动了，但电机还再转动，这就形成了舵机的堵转。这并不影响舵机在机器人中的应用。一般高精度的舵机，就会防止这一现象，转到90时舵机也会停止。如果电机在此时不停的转动，那就会大大的消耗电源功率。直流电机参数测量为了对舵机电路中的速度反应环节进行研究，需要检测直流电机的内阻和额定电路。检测电机内阻方法是拆下舵机中的电机，给电机串联一个电阻，电阻阻值要选的适当应满足电机要转但无法转时因为此时没有电势存在

28、。试验中选择200欧姆的电阻，并给电路加5V稳压源。如图12所示：图12 检测方法示意图用万用表测试200欧姆上的电压为4.79V，Ra上的压降就为0.21V，计算出电机内阻为8.77，测量电机内阻只为了知道其是否小到可以忽略，这种方法的测量所得到的也只是近似值。电机的额定电流的检测很困难，因为流过电机的电流总是在变化。实验中采用间接测量舵机电路总电流的方式，如果总电流很小，那么流过电机的电流就会更小。检测舵机电路总电流的方法同检测电机内阻的方法一样，在舵机总电路中串联电阻，这个电阻一定要很小，否那么舵机不会运行，选4.2欧姆。如图13所示：图13 检测方法示意图用万用表检测到4.2电阻上的压

29、降为0.5V，算得舵机总电路流过的电流为0.12A。因此可知流过舵机内部直流电机的最大值为0.12A，但流过舵机内直流电机的电流，应该会比电路总电流小很多，此时可以近似忽略。3.2根据实验结果进行舵机电路工作原理分析通过对舵机内部电路的检查结果进行分析，可以根本了解舵机电路的工作原理。控制器的脉冲信号从12管脚进入信号调制芯片，与芯片内部的线性脉冲产生器产生的三角波通过脉宽比拟器进行比拟。比拟出脉宽误差信号和方向误差信号，两种误差信号进入芯片的脉冲展宽器进行信号放大。得到直流的偏置电压，从2、3管脚输出，通过滤波电容滤波后进入电机驱动芯片的3、5脚，驱动芯片为H桥驱动电路，2、6脚连接直流电机

30、。信号调制芯片得到脉冲后，电机就开始旋转，电机旋转通过齿轮组带动电位器旋转。信号调制芯片的8管脚接电位器的一端，检测结果为固定电压2.14V。通过检测驱动芯片2、6管脚的电压的结果得知，电机停转后两个管脚的电压为2.12V和2.16V，和电位器的电压近似相等，因此得知当驱动芯片2、6管脚的电压与电位器电压相等时，电机就停转。下一个脉冲信号到来时电机继续转动，直到2、6管脚的电压和电位器电压相等后，电机再次停转。舵机就是用这样的方法让舵盘转动到目标角度的，这就是舵机电路中用电位器实现的位置反应。电机转动以后会产生感应电动势。根据电磁感应定律，无论作为电动机还是作为发电机运行，电枢都会产生感应电动

31、势，电动机的感应电动势一般称为反电动势。电动机的感应电动势会与转速成比例变化即： 式1 通过对舵机电路框图的观察可知，futaba s3003模拟舵机电路中，速度反应环取自电机的端电压，依据的原理公式： 式2可知，当忽略时可有： 式3即认为此时电压近似等于电势，也就是说电压反应近似速度反应。如此方法构成了舵机电路中的速度反应环。通过对电机参数的检测可知最大值为1，通过对电路框图的分析，最大值为5，如果全部按最大值计算，那么此时的速度反应存在20%的误差精度。两个反应环节的反应信号叠加后通过10管脚进入信号调制芯片，再次比拟脉宽误差信号和方向误差信号，通过展宽送给驱动芯片。这里需要指出，Futa

32、ba之外的其它厂家使用的不是BA6688这款IC， 一般选择M51660、AA5188、 YT5166，这些芯片一般没有速度反应环，只有一个电位器的位置反应环，可见两者反应的叠加可以更好的保证最高速度稳定。对电路的研究可知，此舵机电路存在一定的缺点，由于输入电压范围较窄，不能准确的控制速度。在本次实验中，尝试了修改电路参数的方法，提高舵机的速度控制。最后得出结论，可以通过增大速度控制环的增益改变舵机的速度，方法就是把舵机电路中速度控制环的增益电阻减小，用320K的电阻，代替速度控制环的910K电阻。但这样做的同时增加了整个伺服环的增益，结果导致了舵机的不稳定，运行时舵机的输出轴不能到达指定的位

33、置。通过减少脉冲展宽器增益的数值就解决了上述舵机不稳定的问题，方法是用0.1F的陶瓷电容代替7管脚0.47F的电容。经过这样的参数改变后，当改变舵机的控制脉冲时，电机速度就可以出现一个平滑的可变性。4、单片机对舵机的控制方式本次毕业设计采用单片机做为舵机的控制器，用单片机的IO口，作为舵机的信号输入端，与舵机相连。在单片机控制舵机之前，要先确定相应舵机的功率，然后选择足够功率的电源为舵机供电。当控制端不需要很大的电流时，可直接用单片机的5V电源和地线与舵机连接，控制信号线接单片机IO口的P3.0口。具体的连接方式如图14：图14 舵机和单片机连接图单片机实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两

34、个任务；首先产生根本的PWM周期信号，即产生20ms的周期信号。其次，调整脉宽，即单片机调节PWM信号的占空比，脉宽的变化全部由单片机编程实现。单片机控制舵机是利用单片机的内部定时器，本设计用单片机控制舵机实现5个角度转动输出，控制思路为；利用一个定时器T0，定时时间为0.5ms；定义一个角度标识，数值为1，2，3，4，5以实现0.5，1，1.5，2，2.5ms的高电平输出；再定义一个变量，数值最大为40，实现周期为20ms。每次进入定时中断，判断此时的角度标识，进行相应的操作。比方此时为5，那么进入前五次中断，信号输出为高电平，即为2.5ms的高电平，剩下的35次中断期间，信号输出低电平。角

35、度标识的加减，用单片机的矩阵键盘实现。C语言程序设计流程图如图15所示：图15 C语言程序设计流程图如果需要让舵机转动多个角度，就需要定义多个角度标识，修改定时时间并修改定时器上下位的初值。当单片机系统控制多个舵机工作时，所使用的舵机工作周期均为20ms，那么用单片机定时器产生的多路PWM波的周期也相同，使用单片机的内部定时器产生脉冲计数，一般来说，舵机的正脉冲宽度小于周期的1/8，这样能够在一个周期内分时启动各路PWM波的上升沿，再利用定时器中断T0确定各路PWM波的输出宽度，定时器中断T1控制20ms的基准时间。第一次定时器中断T0按20ms的1/8配置初值，并配置输出I/O口，第一次T0

36、定时中断响应后，将当前输出I/O口对应的引脚输出置高电平，配置该路输出正脉冲宽度，并启动第二次定时中断，输出I/O口指向下一个输出口。第二次定时器定时时间结束后，将当前输出引脚置低电平，配置此中断周期为20ms的1/8减去正脉冲时间，此路PWM信号在该周期中输出完毕，往复输出，在每次循环的第16次28中断实行关定时中断T0的操作，最后就可以实现八路舵机控制信号的输出。本次设计只对单个舵机进行控制，多舵机的控制不涉及。具体的程序设计见附件。5、舵机电路及控制方式的改良5.1单片机开环控制舵机存在的问题通过对舵机电路的检测研究可知，舵机内部电路中已经包含两个反应环节，以满足控制转角的精度。但对于由

37、单片机控制的对舵机系统来说，它只是一种开环控制，单片机给舵机控制信号，但舵机的输出并没有反应到单片机，这种开环控制无法防止舵机实际转角与指令转角之间的偏差。这种偏差会给机器人的工作精度带来一定的影响。比方机械手焊接机器人，这样的误差，就会使产品的可靠性降低，对人形机器人来说，这种误差可能导致机器人无法正常运动。5.2单片机控制舵机的闭环设计想要提高控制转角的精度，就需要参加检测装置实时检测舵机输出轴的转角位置情况，根据需要反应给控制系统，与设定信息进行比拟后，对舵机的输入脉宽进行调整，以保证舵机的转角精度符合预定的要求。因此本次设计希望设计出一种舵机的闭环控制方式，用来实现其输出转角的精确控制

38、。通过对舵机电路的研究可知，舵机的转角是由直流电机带动齿轮组使输出轴转动到旋转角度的，也就是说直流电机的转动决定了舵机输出轴的转角位置，直流电机的转速与舵机输出轴存在特定的关系。那么就可以考虑一种直流电机的闭环控制方式，用传感器检测直流电机速度的实际值并将其反应给单片机。通过实际值与设定值的比拟，得到转速误差值，如果误差为0，那么驱动电压恒定，如果存在误差，那么通过单片机调整驱动电路的驱动电压，直到实际值到达设定值为止。可以说一但电机速度到达了设定值，那么在各种不利因素的干扰下，也应该保持这个速度值不变。控制系统如图16所示：图16 直流电机速度反应系统如果想用同样的方法实现舵机的闭环控制就存

39、在一定的困难，因为在舵机电路中，直流电机的转速并没有直接作为舵机轴的输出。而是由直流电机通过减速齿轮，带动舵机轴输出，这就给舵机的闭环控制带来了一定的难度。因为最终的输出是舵机轴，但舵机轴的速度检测是很困难的，因为它只转动了一个很小的角度后就立即停止。因此只能把检测对象放在舵机内部的直流电机上，把检测装置直接安装在直流电机的输出轴上，在检测出舵机内部电机速度的同时，还要把检测到的速度通过齿轮组的减速比换算成舵机输出轴的转动角度。把这个角度信号转换为脉宽信号返回给单片机，与输入脉宽信号进行比拟。具体的控制系统如图17所示：图17 单片机控制舵机的闭环方案5.2.1传感器测速装置的设计设计系统中用

40、轴编码器测量直流电机输出轴的速度，因为轴编码器可以产生直接对应于轴转速的脉冲序列。对应于轴的每一个微小转动，轴编码器都将改变其输出的电压从低电平到高电平，或从高电平到低电平。通过累计一秒内产生脉冲的数目便可得知轴的转速，编码器还可以根据速度的检测获知机器人行进的距离，本次设计只用来测速。本设计用反射式光学编码器，因为其很容易制作。把一个黑白条纹相同的圆盘安装在电机轴上即可，将红外线发射二极管发射的光线照在码盘上，当码盘旋转时白色条纹将发出的红外光反射到光电三极管使其导通，而黑色那么将发出的红外光吸收，使光电三极管截止，如此使光电三极管产生相应的输出脉冲序列。码盘上的条纹越多，它旋转时在单位时间

41、内产生的脉冲就越多。对速度反应来说，高分辨率可以改善精度。适宜的分辨率对于实现电机反应的快速响应是很重要的，这是因为一般的电机控制总是在固定的时间间隔内采集码盘的脉冲序列，电机每转输出的脉冲越多就越容易精确确实定电机转速。在低速时，高分辨率的码盘尤为重要。需要注意的是码盘外表务必平整。由于光电开关对码盘距离的远近很敏感，所以不平整的码盘将使光电开关产生异常的输出。反射式光电开关做为测量电机转速的传感器，反射式光电开关由上面提到的两局部组成一个红外线发射二极管，一个光电三极管。这种发射式光电开关有四个脚，其中一对引脚用于二极管的供电，另外一对分别与光电三极管的集电极和发射极相连。光电开关的外围驱

42、动电路设计如图18：图18 光电开关的外围驱动电路R1采用较低阻值电阻，这使得电路的输出响应效果较好，但是也使电路的功耗有所增加，光电三极管的外围电路中，R3为10k到2M，采用较高阻值会获得较高的灵敏度，具体的取值应由所选的传感器来决定。上述反射式光电开关的检测输出信号并不理想。随着码盘黑白条纹的切换，输出电压并非从0V快速的变化到5V即从逻辑0到逻辑1，那么得到的脉冲就不容易识别。因此需要改善光电开关的信号输出，本设计用施密特触发器来处理原始的输出。施密特触发器是一种双阈值的特殊电压比拟器，当输入电压超过上阈值时，触发器输出高电平，当输入电压低于下阈值时，输出低电平。当输入电压处于上下阈值

43、之间时，触发器的状态不改变，这种触发器有一定的抗干扰能力。 带施密特触发器的编码器外围电路如图19所示：图19带施密特触发器的编码器外围电路速度计算速度检测系统设计完毕后，需要试验此系统是否可以满足直流电机的测速。由于工具限制，无法把这个检测系统安装在舵机壳内，本次实验只对直流电机的开环速度进行了检测，此时的直流电机并没有连接齿轮负载，当然所测得转速和带齿轮负载的转速存在差异，希望今后生产的舵机可以满足在舵机机壳内实现直流电机的测速。因为轴编码器可以产生直接对应于轴转速的脉冲序列，实验中用示波器观察其输出的脉冲，通过对示波器显示脉冲的观察及计算，得到直流电机的转速。给直流电机接入5V的电压，并

44、带上测速系统进行实验，所得的实验结果如表1；表1 示波器显示的轴编码器输出测量值次数正占空比%脉冲频率(KHZ)163.61.47265.11.54363.51.03通过示波器的显示结果，并不能直接得出直流电机的转速，通过单位时间内的脉冲数数量，以及码盘的分辨率可以计算出电机的转速。但是用示波器观察出单位时间的脉冲数比拟困难，所以不便采用上述方法。示波器脉冲间的频率很好观察，脉冲间频率的倒数是周期，也就是光电传感器三极管从截止到导通的时间，这个时间乘以分辨率就可以计算出电机转一圈所用的时间，这个时间的倒数就是直流电机的速度。公式如下： 式4式中；为电机转速为脉冲间频率为分辨率那么所测得此直流电

45、机无负载情况下转速越为2740min。舵机齿轮减速比的推导舵机中的直流电机的转速正比与舵机输出轴的转速，但是会比后者快很多倍。精确的比率有减速器的减速比决定。舵机电路中采用的是齿轮减速方式，这也是一种功率传递的方式，通过齿轮来传递功率除了降低转速外还可以带来很多好处。相应的提高输出转矩，改变输出的方向，可以将转动改变为直线运动，可以改变转轴朝向等。在本设计中只关心齿轮减速的好处，其原理是：如果有两个齿轮A和B，A为小齿轮有16个齿，B为大齿轮有32个齿，这对齿轮的传动比就为2，也就是大齿轮的齿数除以小齿轮齿数所得的比值。传动比为2意味着小齿轮每转过一定的角度，大齿轮只转过相应角度的一半。如果把

46、电机轴与小齿轮连接，舵机的输出轴与大齿轮连接，那么输出转速最终降低一半。如果知道小齿轮的转速，就会知道大齿轮的转速。公式为： 式5式中； 为大齿轮转速为小齿轮转速为减速器的效率0e1 为齿轮的齿数比传动比的倒数称为减速比，减速比越大意味着减速作用越明显。不过值得注意的是舵机中并不是单纯的采用小齿轮带动大齿轮的方式，因为这样得到的减速比还不能到达舵机输出转角的减速要求，所采用的方式是在大齿轮的轴上再增加一个小齿轮并用这个小齿轮再去驱动一个大齿轮的多级减速方式，那么整个传动装置的减速比就会大幅度增大以满足舵机输出转角的要求。舵机内有几个组合齿轮一起组成减速器，不过也可以用上述的公式推测最后的减速比

47、。因此在本次设计中需要拆开舵机的外壳，观察内部减速齿轮组的齿数，通过上述公式，计算出舵机的减速比。通过观察本次毕业设计所用的舵机可知，舵机电路中有三组组合齿轮，且每组齿轮都是大小齿轮的组合，具体齿轮的具体齿数如图19：图19 futaba s3003舵机电路内的减速齿轮组通过计算得知futaba s3003的舵机减速比为184.8。公式为： 式6也就是说直流电机转动184.8转，舵机的输出轴才相应的转动1转。5.2.4舵机输出轴转角的反应方式上面已经讨论过，每一个脉冲宽度对应一个舵机轴的输出转角。如图5所示，其输入脉宽与舵机轴的输出管脚成线性关系。正因为如此，才可以采用上述闭环设计的方式。但如果把脉冲变化很微小的话，是否也可以满足上述的线性关系，就需要通过实验加以验证，通过改变单片机的脉冲，观察舵机输出轴的旋转角度。实验结果如下；0.5ms0 0.6ms9 0.7ms18 0.8ms27 0.9ms36 1.0ms45通过实验可以证实输入脉冲和舵机输出轴的角度成线性关系。通过传感器的测速结果和齿轮组的减速比，就可以算出舵机输出轴的转角。其关系为；电机单位时间转数