實(shí)驗(yàn)環(huán)境

Matlab版本： 2021b

操作系統(tǒng) ：Win10專業(yè)版

硬件平臺(tái) ：YF-STM32-ALPHA 1R4

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 ：硬件在環(huán)修改參數(shù)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

模型與原理圖

STM32 simulink驅(qū)動(dòng)舵機(jī)效果如圖5.1所示，本次實(shí)驗(yàn)用到的Simulink簡(jiǎn)易模型如圖5.2所示，電路圖接法如圖5.3所示，YF-STM32-ALPHA開發(fā)板舵機(jī)接口位置如圖5.4所示，通過改變“Constant”的值實(shí)現(xiàn)舵機(jī)不同角度轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)值2.5~12.5對(duì)應(yīng)0°~180°(或-90°~90°)。

圖5.1 硬件在環(huán)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)效果

圖5.2 PWM 驅(qū)動(dòng)simulink模型

圖5.3 STM32舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

圖5.4 舵機(jī)接口位置

基礎(chǔ)模型介紹與分析

PWM簡(jiǎn)介

PWM的全稱是脈沖寬度調(diào)制（Pulse-width modulation），是通過將有效的電信號(hào)分散成離散形式從而來降低電信號(hào)所傳遞的平均功率的一種方式；所以根據(jù)面積等效法則，可以通過對(duì)改變脈沖的時(shí)間寬度，來等效的獲得所需要合成的相應(yīng)幅值和頻率的波形；

PWM實(shí)現(xiàn)不是單片機(jī)的專屬，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波結(jié)合LM393比較器，然后用一個(gè)可調(diào)電阻輸出的電壓作為參考電壓，可以得到一個(gè)脈沖寬度可以調(diào)節(jié)的電路，如圖5.5所示。

圖5.5 信號(hào)發(fā)生器與比較器組成PWM電路

但是實(shí)際使用過程中，讀者朋友不可能帶著信號(hào)發(fā)生器走，所以實(shí)際電路中一般使用555定時(shí)器來產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)電路，如圖5.6所示。

圖5.6 555定時(shí)器PWM可調(diào)電路

專用名詞解釋

頻率： 是指每秒鐘信號(hào)從高電平到低電平再回到高電平的次數(shù)，為一個(gè)PWM波周期的倒數(shù)。如圖5.7和圖5.8所示，頻率=1/(高電平時(shí)間+低電平時(shí)間)。

圖5.7 單個(gè)脈沖周期

圖5.8 1S內(nèi)相同脈沖的個(gè)數(shù)代表頻率

占空比 ：是指高電平持續(xù)時(shí)間占比一個(gè)周期持續(xù)的時(shí)間。如圖5.9所示，占空比=高電平時(shí)間/(高電平時(shí)間+低電平時(shí)間),可以通過控制占空比，來控制輸出的等效電壓。

圖5.9 同頻率下不同占空比波形等效電壓

SG90舵機(jī)外觀實(shí)物與引腳定義如圖5.10所示，其本質(zhì)是一個(gè)脈寬控制的伺服電機(jī)，通過接收不同占空比脈沖從而實(shí)現(xiàn)不同角度轉(zhuǎn)動(dòng)，其固有驅(qū)動(dòng)頻率為50Hz（周期20ms），脈沖占空比與角度對(duì)應(yīng)關(guān)系為5ms(2.5%)->-90°，1ms(5%)->-45°，1.5ms(7.5%)->0°，2ms(10%)->45°，2.5ms(12.5%)->90°，括號(hào)里面內(nèi)容對(duì)應(yīng)實(shí)際“Constant”變量值，百分百表示高電平占空比，對(duì)應(yīng)的角度如圖5.11所示。

圖5.10 SG90舵機(jī)實(shí)物與引腳定義

圖5.11 SG90舵機(jī)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的角度

注 意 ：實(shí)際使用中建議使用時(shí)電壓不低于5V，并確保電流是否可以滿足舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，≥500mA為宜，使用多個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作時(shí)，確保足額的電流供給。

表5.1 SG90舵機(jī)參數(shù)表

“PWM Output”STM32專用模塊與參數(shù)設(shè)置如圖5.12所示，“Pin”參數(shù)欄用于配置PWM引腳，示例中使用"PA_7"對(duì)應(yīng)到STM32的PA7引腳，“Initial frequency”用于設(shè)置初始頻率，“Initial duty cycle”用于設(shè)置初始占空比。

圖5.12 “PWM Output”模塊

STM32F103RBT6在simulink模型中有多個(gè)引腳支持PWM脈沖輸出，可以采用圖5.13所示方式同時(shí)測(cè)試或使用多個(gè)PWM脈沖控制舵機(jī)或其他脈沖設(shè)備，表5.2為該芯片的PWM脈沖具體對(duì)應(yīng)的引腳和通道，內(nèi)容來參考自“Pinmap_NUCLEO_F103RB”圖，表中已標(biāo)示的證明已經(jīng)測(cè)試過，其他的由于本開發(fā)板限制，請(qǐng)讀者朋友自行測(cè)試。

圖5.13 同時(shí)多個(gè)PWM工作簡(jiǎn)易模型

注 意：此表主要針對(duì)型號(hào)為STM32F103RBT6整理，其它芯片請(qǐng)參考此表自行測(cè)試或參考Pinmap圖

表5.2 PWM對(duì)照表(F103RBT6)

圖5.14~圖5.16是作者輸入不同值通過示波器測(cè)量到的實(shí)際脈沖占空比，供讀者朋友參考。

圖5.14 50Hz-5%占空比PWM模型與示波器實(shí)際顯示波形

圖5.15 50Hz-10%占空比PWM模型與示波器實(shí)際顯示波形

圖5.16 50Hz-15%占空比模型與示波器實(shí)際顯示波形

總結(jié)

本節(jié)實(shí)驗(yàn)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的PWM模型驅(qū)動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，并驗(yàn)證多通道情況下PWM脈沖輸出控制的可行性，為讀者朋友下一步使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)提供參考價(jià)值，大家可以思考下通過多個(gè)舵機(jī)的組合可以實(shí)現(xiàn)哪些好玩的東西？為使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，其中好幾個(gè)制作純使用舵機(jī)完成，大家結(jié)合已有設(shè)備自行去實(shí)現(xiàn)下。

拓展延申

本節(jié)其實(shí)只使用到簡(jiǎn)單的PWM脈寬調(diào)制方式，其實(shí)在生活中還有一種用的非常廣泛的脈沖電機(jī)也是使用PWM來控制的，那就是步進(jìn)電機(jī)，只不過該電機(jī)接收的不是脈寬控制而是脈沖控制，即每接收一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，圖5.21為工業(yè)常用步進(jìn)電機(jī)參考測(cè)試電路，有條件的讀者朋友可以結(jié)合本節(jié)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)下如何控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)固定步數(shù)。另外讀者朋友還可以結(jié)合前面小節(jié)學(xué)到的A/D采集知識(shí)或I/O輸入知識(shí)制作一些好玩的東西，例如“追光向日葵”，“數(shù)字可調(diào)電源”等。

圖5.21 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試電路