一、舵機原理簡述

控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關系是這樣的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

（1）舵機的追隨特性

假設現在舵機穩定在A點，這時候CPU發出一個PWM信號，舵機全速由A點轉向B點，在這個過程中需要一段時間，舵機才能運動到B點。

保持時間為Tｗ

當Tｗ≥△T時，舵機能夠到達目標，并有剩余時間；

當Tｗ≤△T時，舵機不能到達目標；

理論上：當Tｗ=△T時，系統最連貫，而且舵機運動的最快。

實際過程中ｗ不盡相同，連貫運動時的極限△T比較難以計算出來。

當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。

二、舵機PWM信號介紹

1．PWM信號的定義 PWM 信號為脈寬調制信號，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的標準協議，隨著機器人行業的漸漸獨立，有些廠商已經推出全新的舵機協議，這些舵機只能應用于機器人行業，已經不能夠應用于傳統的模型上面了。 目前 舵機可能是這個過渡時期的產物，它采用傳統的 PWM 協議，優缺點一目了然。優點是已經產業化，成本低，旋轉角度大（目前所生產的都可達到 185 度）； 缺點是控制比較復雜，畢竟采用 PWM 格式。 但是它是一款數字型的舵機，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；

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 的標準方波； （3） HG0680 為塑料齒輪模擬舵機，其要求連續供給 PWM 信號；它也可以輸入一個周期為 1mS 的標準方波，這時表現出來的跟隨性能很好、很緊密。

2．PWM信號控制精度制定

如果采用的是 8 位單片機AT89C52CPU，其數據分辨率為256，那么經過舵機極限參數實驗，得到應該將其劃分為 250 份。 那么 0.5mS---2.5Ms 的寬度為 2mS = 2000uS。2000uS÷250=8uS，則：PWM 的控制精度為 8us。我們可以以 8uS 為單位遞增控制舵機轉動與定位。 舵機可以轉動 185 度，那么185 度÷250=0.74 度，則：舵機的控制精度為 0.74 度。

1 DIV = 8us ; 250DIV=2ms時基寄存器內的數值為：（#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： 0.5ms + N×DIV 0us ≤ N×DIV ≤ 2ms 0.5ms ≤ 0.5ms+N×DIV ≤ 2.5ms

二．單舵機拖動及調速算法

1．舵機為隨動機構（1）當其未轉到目標位置時，將全速向目標位置轉動。 （2）當其到達目標位置時，將自動保持該位置。所以對于數字舵機而言，PWM 信號提供的是目標位置，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位置。所以我們的控制系統是一個目標規劃系統。 （1）HG14-M舵機的位置控制方法 舵機的轉角達到 185 度，由于采用 8 為 CPU 控制，所以控制精度最大為 256 份。目前經過實際測試和規劃，分了 250 份。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；

（2）舵機的運動協議

運動時可以外接較大的轉動負載，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。

2、目標規劃系統的特征

（1）舵機的追隨特性

① 舵機穩定在 A 點不動； ② CPU 發出 B 點位置坐標的 PWM 信號； ③ 舵機全速由 A 點轉向 B 點； △ф = фB - фA △T = △ф÷ω ④ CPU 發出 B 點 PWM 信號后，應該等待一段時間，利用此時間舵機才能轉動至 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 Tｗ≥△T 時，舵機能夠到達目標，并有剩余時間； 當 Tｗ≤△T 時，舵機不能到達目標； 理論上：當 Tｗ=△T 時，系統最連貫，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，負載個不相同，所以ω不同； ② 某個舵機在不同時刻的外界環境負載也不同，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，或稱出現概率最高的點。 依據

① 廠商的經驗值； 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 當延時 Tｗ到達后，觀察舵機是否到達目標； 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 度轉動的時間為 185 度÷360 度/1.2 秒 = 0.6167 秒。 （4）采用雙擺試驗驗證

3．DAV的定義將 185 度的轉角分為 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。

5．單舵機調速算法

測試內容：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，以此監測 PWM 脈寬“頭”。 （2）舵機電路自動檢測下降沿，遇下降沿就觸發，以此監測 PWM 脈寬“尾”。

（1）舵機轉動時的極限下降沿PWM脈寬

令人質疑的地方為 1.1ms 時的表現，得出的 Tｗ≈ △T； 也就是說 1.1ms = 2.467ms，顯然存在問題。 經過考慮重新觀察 PWM 波形圖發現，電機真正的啟動點如下圖：

實際上由 A 到 B 的運動時間為：△T = Tｗ +（B 點的）PWM