在機械人機電控制系統中，舵機控制效果是效能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出使得微控制器系統非常容易與之介面。
舵機是一種位置伺服的驅動器，適用於那些需要角度不斷變化並可以保持的控制系統。其工作原理是：控制訊號由接收機的通道進入訊號調製晶元，獲得直流偏置電壓。它內部有乙個基準電路，產生週期為20ms，寬度為1.5ms的基準訊號，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。最後，電壓差的正負輸出到電機驅動晶元決定電機的正反轉。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。
圖1 舵機的控制要求
舵機的控制訊號是pwm訊號，利用占空比的變化改變舵機的位置。一般舵機的控制要求如圖1所示。
微控制器實現舵機轉角控制
可以使用fpga、模擬電路、微控制器來產生舵機的控制訊號，但fpga成本高且電路複雜。對於脈寬調變訊號的脈寬變換，常用的一種方法是採用調製訊號獲取有源濾波後的直流電壓，但是需要50hz(週期是20ms)的訊號，這對運放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易採用。5mv以上的控制電壓的變化就會引起舵機的抖動，對於機載的測控系統而言，電源和其他器件的訊號雜訊都遠大於5mv，所以濾波電路的精度難以達到舵機的控制精度要求。
也可以用微控制器作為舵機的控制單元，使pwm訊號的脈衝寬度實現微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。微控制器完成控制演算法，再將計算結果轉化為pwm訊號輸出到舵機，由於微控制器系統是乙個數字系統，其控制訊號的變化完全依靠硬體計數，所以受外界干擾較小，整個系統工作可靠。
微控制器系統實現對舵機輸出轉角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產生基本的pwm週期訊號，本設計是產生20ms的週期訊號；其次是脈寬的調整，即微控制器模擬pwm訊號的輸出，並且調整占空比。
當系統中只需要實現乙個舵機的控制，採用的控制方式是改變微控制器的乙個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節省了硬體電路，也減少了軟體開銷，控制系統工作效率和控制精度都很高。
具體的設計過程：例如想讓舵機轉向左極限的角度，它的正脈衝為2ms，則負脈衝為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口傳送高電平，然後設定定時器在2ms後發生中斷，中斷發生後，在中斷程式裡將控制口改為低電平，並將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，並將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復實現pwm訊號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈衝訊號，調整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動。
為保證軟體在定時中斷裡採集其他訊號，並且使發生pwm訊號的程式不影響中斷程式的執行(如果這些程式所占用時間過長，有可能會發生中斷程式還未結束，下次中斷又到來的後果)，所以需要將採集訊號的函式放在長定時中斷過程中執行，也就是說每經過兩次中斷執行一次這些程式，執行的週期還是20ms。軟體流程如圖2所示。
如圖2 產生pwm訊號的軟體流程
如果系統中需要控制幾個舵機的準確轉動，可以用微控制器和計數器進行脈衝計數產生pwm訊號。
脈衝計數可以利用51微控制器的內部計數器來實現，但是從軟體系統的穩定性和程式結構的合理性看，宜使用外部的計數器，還可以提高cpu的工作效率。實驗後從精度上考慮，對於futaba系列的接收機，當採用1mhz的外部晶振時，其控制電壓幅值的變化為0.6mv，而且不會出現誤差積累，可以滿足控制舵機的要求。最後考慮數字系統的離散誤差，經估算誤差的範圍在±0.3%內，所以採用微控制器和8253、8254這樣的計數器晶元的pwm訊號產生電路是可靠的。圖3是硬體連線圖。
圖3 pwa訊號的計數和輸出電路
基於8253產生pwm訊號的程式主要包括三方面內容：一是定義8253暫存器的位址，二是控制字的寫入，三是資料的寫入。軟體流程如圖4所示，具體**如下。
//關鍵程式及注釋：
//定時器t0中斷，向8253傳送控制字和資料
void t0int() interrupt 1
圖4 基於8253產生pwa訊號的軟體流程
當系統的主要工作任務就是控制多舵機的工作，並且使用的舵機工作週期均為20ms時，要求硬體產生的多路pwm波的週期也相同。使用51微控制器的內部定時器產生脈衝計數，一般工作正脈衝寬度小於週期的1/8，這樣可以在1個週期內分時啟動各路pwm波的上公升沿，再利用定時器中斷t0確定各路pwm波的輸出寬度，定時器中斷t1控制20ms的基準時間。
第1次定時器中斷t0按20ms的 1/8設定初值，並設定輸出i/o口，第1次t0定時中斷響應後，將當前輸出i/o口對應的引腳輸出置高電平，設定該路輸出正脈衝寬度，並啟動第2次定時器中斷，輸出i/o口指向下乙個輸出口。第2次定時器定時時間結束後，將當前輸出引腳置低電平，設定此中斷週期為20ms的1/8減去正脈衝的時間，此路pwm訊號在該週期中輸出完畢，往復輸出。在每次迴圈的第16次(2×8=16)中斷實行關定時中斷t0的操作，最後就可以實現8路舵機控制訊號的輸出。
也可以採用外部計數器進行多路舵機的控制，但是因為常見的8253、8254晶元都只有3個計數器，所以當系統需要產生多路pwm訊號時，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達到較高的精度。除錯時注意到由於程式中脈衝寬度的調整是靠調整定時器的初值，中斷程式也被分成了8個狀態週期，並且需要嚴格的週期迴圈，而且執行其他中斷程式**的時間需要嚴格把握。
在實際應用中，採用51微控制器簡單方便地實現了舵機控制需要的pwm訊號。對機械人舵機控制的測試表明，舵機控制系統工作穩定，pwm占空比 (0.5～2.5ms 的正脈衝寬度)和舵機的轉角(-90°～90°)線性度較好。
舵機控制原理
在機械人和各種自動化裝置中，舵機起著非常重要的作用，我把關於舵機的資料整理出來，方便以後的使用。像這種是比較常見的舵機 舵機與一般的直流減速電機不同，除去電機和減速機構還有一套控制電路，是一種典型的機電一體化產品，通過控制電路的精確控制，舵機可以鎖定在某個角度或者以某個速度連續旋轉。也正是因為這種特...
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