舵機(jī)（ servo motor），又名伺服電機(jī)，主要是由外殼、電路板、馬達(dá)、減速齒輪和電位器構(gòu)成。舵機(jī)主要適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，比如人形機(jī)器人的手臂和腿，車模和航模的方向控制。目前，市面上的成熟的舵機(jī)工業(yè)產(chǎn)品都來(lái)自日本、韓國(guó)和我國(guó)***地區(qū)。本文基于舵機(jī)工作的基本原理，選用Atmega8L單片機(jī)作為舵機(jī)電路板控制芯片，對(duì)舵機(jī)控制進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。

舵機(jī)工作原理

控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

基于AVR單片機(jī)的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

1、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板接受上位機(jī)PWM信號(hào)對(duì)電機(jī)控制

舵機(jī)的轉(zhuǎn)角范圍通常是0到180度，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角通常由脈寬來(lái)控制，一般舵機(jī)都會(huì)有三根輸入線（電源正，地，信號(hào)線）， PWM信號(hào)由信號(hào)線輸入，上位機(jī)產(chǎn)生周期為20ms左右的方波作為輸入信號(hào)，方波的占空比決定舵機(jī)轉(zhuǎn)的角度。如圖1所示：

根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)出以下實(shí)驗(yàn)電路（圖2）。 通過(guò)A tmega8L單片機(jī)和電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N的連接實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)工作的基本原理。

AVR單片機(jī)是Atmel公司8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。具有系統(tǒng)內(nèi)可編程存儲(chǔ)器Flash電擦寫可編程存儲(chǔ)器EEPROM 隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器RAM 模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器、大量I/0口、 16/8位定時(shí)器、 RS-232通訊接口UART，兩線串行接口TWI以及其他很多功能的單片集成電路。本文采用的是AVR系列常用型號(hào)的產(chǎn)品ATMega8L系統(tǒng)時(shí)鐘頻率使用外部晶振7.3728Mhz，工作電壓5V。

L298是雙H型橋高電壓大電流集成電路，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。原理圖如圖3所示，Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。 IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，ENAENB引腳則為使能控制端。本來(lái)是通過(guò)IN1--IN4輸入用來(lái)控制H型橋的開(kāi)與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA、ENB使能控制端，用來(lái)輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。本文使用了L298N的一組H型橋，ENA使能控制端一直導(dǎo)通，輸入IN1，IN2PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向。

2、單片機(jī)初始化包括I/O口、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換的初始化

上位機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)通過(guò)Atmega8L的一個(gè)I/0口讀入，為了讀取PWM信號(hào)的高電平時(shí)間，采用計(jì)數(shù)方式，使用Atmega8L的T0計(jì)數(shù)，T0是一個(gè)8位定時(shí)器，定時(shí)器分頻為8分頻，TCCR0=0x02。若讀入PD0的PWM信號(hào)是高電平，T0開(kāi)始計(jì)時(shí)，T0的計(jì)數(shù)值TCNTO從0計(jì)數(shù)到255，產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷，在中斷服務(wù)程序里設(shè)置一個(gè)累加器COUNT，每次進(jìn)入中斷服務(wù)程序COUNT加1。當(dāng)PD0口讀入的PWM信號(hào)是低電平時(shí)，T 0停止計(jì)時(shí)，計(jì)算出整個(gè)PWM高電平時(shí)間是：INPUTPWM= （COUNTX 255+TCNT0） /921. 6 （ms）。若PD0口讀入的PWM高電平時(shí)間低于1ms，在程序中處理INPUTPWM=lms，若高于2ms，則INPUTPWM= =2ms。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了避免第一次計(jì)時(shí)未能從PWM信號(hào)的高電平始端計(jì)時(shí)，忽略PWM信號(hào)第一次高電平的時(shí)間，從PD0口讀到的第二個(gè)高電平開(kāi)始計(jì)時(shí)。

讀電位器電壓，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換讀取當(dāng)前電位器的電壓值（ ADC）， Atmega8L提供最高分辨率為10位的A/D轉(zhuǎn)換精度，即轉(zhuǎn)換后的電壓值從0到1023基于這一考慮，PDO讀入的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓值target=（INPUTPWM-1）*1023，采用這一設(shè)計(jì)，有利于減少P WM信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓值的復(fù)雜過(guò)程。

用Atmega8L的Tl定時(shí)器產(chǎn)生兩路16位pwm信號(hào)，其占空比決定控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，占空比越大，電流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，反之則越慢。為了與A/D轉(zhuǎn)換的最大值1023相匹配，減少計(jì)算復(fù)雜度，T1定時(shí)器采用8號(hào)相位與頻率修正PWM模式，讓計(jì)數(shù)最大值ICR1=1023，其比較值0CR1=（ ADC-target）。為了控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，若（ADC- -target）。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，采集的電位器的電壓值不斷與目標(biāo)值接近，OCR1的值變小，占空比也變小，舵機(jī)轉(zhuǎn)速也持續(xù)變慢，理論上，當(dāng)ADC與target相等， 占空比為0，電機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的控制流程圖如圖4所示。

3、PID調(diào)節(jié)

理論上當(dāng)電機(jī)達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)電機(jī)，但是舵機(jī)是一個(gè)需要保持角度的系統(tǒng)，并且保持力越大越好，即舵機(jī)的扭矩（torque）越大越好。具體而言，當(dāng)電機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但是此時(shí)只要稍微有外力轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)將流過(guò)一個(gè)與外力相逆的電流來(lái)保持角度，這電流就是堵轉(zhuǎn)電流。因此，一方面要求電機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置電流越來(lái)越小，這樣容易停止，另一方面要求在偏離目標(biāo)位置的微小區(qū)域電機(jī)又要有很大的堵轉(zhuǎn)電流，使用PID（ProportionalIntegralDifferential）調(diào)節(jié)就可以很好的解決這一矛盾。

PID可以很好地控制電機(jī)很快地到達(dá)目標(biāo)位置而不產(chǎn)生抖動(dòng)。對(duì)于舵機(jī)而言，上面提到的定時(shí)器T1的比較值0CR1就簡(jiǎn)單的給定為當(dāng)前的電機(jī)位置和目標(biāo)位置的差值，引入PID控制后，這一項(xiàng)乘以一個(gè)系數(shù)kp，作為OCR1的比例項(xiàng);上一周期的電機(jī)位置和這一周期的電機(jī)位置的差值乘以系數(shù)kd，作為OCR1的微分項(xiàng)，這一項(xiàng)的作用主要是如果電機(jī)兩次位置的差值很大的話，可以加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速;每一周期電機(jī)位置和目標(biāo)位置的差值的平均值乘以系數(shù)ki作為OCR1的積分項(xiàng)，這一項(xiàng)的作用是使電機(jī)阻尼來(lái)減少電機(jī)抖動(dòng)。把這三項(xiàng)加起來(lái)作為OCRl的值，作為T1定時(shí)器的比較值。公式如下：

OCRl=kpX（ADC-target）+kiX（（ADC-target）/n）+HkdX（adcvalpre-ADC）

其中，ADC為采集到的當(dāng)前電位器的值，target為目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換后的電壓值，溈周期次數(shù)，adcvalpre為上一周期的電壓值，kp，ki，kd為選定的參數(shù)，選擇合適的參數(shù)可以保證電機(jī)又快又穩(wěn)的到達(dá)月標(biāo)位置。

4、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板以TWI方式與上位機(jī)通訊對(duì)舵機(jī)的控制

TWI（Two-wireSerialInterface）作為Atmega8L的一個(gè)通訊接口，提供最快400khz的數(shù)據(jù)傳輸率。IWI協(xié)議允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只用兩根雙向傳輸線就可以將128個(gè)不同的設(shè)備互連到一起。這兩根線一是時(shí)鐘SCL，-是數(shù)據(jù)SDA。使用TWI方式通訊主要是可以精確的傳輸舵機(jī)要到達(dá)的指定位置以及方便地調(diào)節(jié)kp，ki，kd系數(shù)。本文采用兩片Atmega8L單片機(jī)進(jìn)行TWI通訊，PC機(jī)端采用RS-232與其中一片單片機(jī)通訊，模型如圖5所示：

PC機(jī)端是一個(gè)用VC6寫的串口通訊程序和單片機(jī)a通訊，單片機(jī)a主要是處理RS--232傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并重新裝包以TWI方式發(fā)送給舵機(jī)控制電路板。這樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以很方便的通過(guò)PC機(jī)端的串口通訊程序發(fā)送目標(biāo)位置，kp，ki，kd等參數(shù)，容易調(diào)試。

本文選用FutabaS3003舵機(jī)的機(jī)械部件，用圖4的舵機(jī)控制電路，很好的控制電機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置，而且產(chǎn)生了較大的扭矩。作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，達(dá)到了預(yù)期的效果，下一步尋求更好的調(diào)節(jié)算法，更穩(wěn)定地控制電機(jī)，產(chǎn)生更大的扭矩。