1、详细的舵机控制原理资料目录一舵机PWM信号介绍 11PWM信号的定义 12PWM信号控制精度制定 2二单舵机拖动及调速算法 31舵机为随动机构 3(1)HG14-M舵机的位置控制方法 3(2)HG14-M舵机的运动协议 42目标规划系统的特征 5(1)舵机的追随特性 5(2)舵机值测定 6(3)舵机值计算 6(4)采用双摆试验验证 63DAV的定义 74DIV的定义 75单舵机调速算法 8(1)舵机转动时的极限下降沿PWM脉宽 8三8舵机联动单周期PWM指令算法 101控制要求 102注意事项 1038路PWM信号发生算法解析 114N排序子程序RAM的制定 125N差子程序解析 136关于扫
2、尾问题 14(1)提出扫尾的概念 14(2)扫尾值的计算 14一舵机PWM信号介绍1PWM信号的定义PWM信号为脉宽调制信号,其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时间宽度。具体的时间宽窄协议参考下列讲述。我们目前使用的舵机主要依赖于模型行业的标准协议,随着机器人行业的渐渐独立,有些厂商已经推出全新的舵机协议,这些舵机只能应用于机器人行业,已经不能够应用于传统的模型上面了。目前,北京汉库的HG14-M舵机可能是这个过渡时期的产物,它采用传统的PWM协议,优缺点一目了然。优点是已经产业化,成本低,旋转角度大(目前所生产的都可达到185度);缺点是控制比较复杂,毕竟采用PWM格式。但是它是一款数字型的
3、舵机,其对PWM信号的要求较低:(1) 不用随时接收指令,减少CPU的疲劳程度;(2) 可以位置自锁、位置跟踪,这方面超越了普通的步进电机;图1-1其PWM格式注意的几个要点:(1) 上升沿最少为0.5mS,为0.5mS-2.5mS之间;(2) HG14-M数字舵机下降沿时间没要求,目前采用0.5Ms就行;也就是说PWM波形可以是一个周期1mS的标准方波;(3) HG0680为塑料齿轮模拟舵机,其要求连续供给PWM信号;它也可以输入一个周期为1mS的标准方波,这时表现出来的跟随性能很好、很紧密。2PWM信号控制精度制定我们采用的是8位AT89C52CPU,其数据分辨率为256,那么经过舵机极限
4、参数实验,得到应该将其划分为250份。那么0.5mS-2.5Ms的宽度为2mS = 2000uS。2000uS250=8uS则:PWM的控制精度为8us我们可以以8uS为单位递增控制舵机转动与定位。舵机可以转动185度,那么185度250=0.74度,则:舵机的控制精度为0.74度图1-21 DIV = 8uS ; 250DIV=2mS时基寄存器内的数值为:(#01H)01 -(#0FAH)250。共185度,分为250个位置,每个位置叫1DIV。则:185250 = 0.74度 / DIVPWM上升沿函数: 0.5mS + NDIV 0uS NDIV 2mS 0.5mS 0.5Ms+NDIV
5、 2.5mS二单舵机拖动及调速算法1舵机为随动机构(1)当其未转到目标位置时,将全速向目标位置转动。(2)当其到达目标位置时,将自动保持该位置。所以对于数字舵机而言,PWM信号提供的是目标位置,跟踪运动要靠舵机本身。(3)像HG0680这样的模拟舵机需要时刻供给PWM信号,舵机自己不能锁定目标位置。所以我们的控制系统是一个目标规划系统。(1)HG14-M舵机的位置控制方法舵机的转角达到185度,由于采用8为CPU控制,所以控制精度最大为256份。目前经过实际测试和规划,分了250份。具体划分参见250份划分原理。将0185分为250份,每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms2.5ms
6、,宽度2ms。2ms250=8us;所以得出:PWM信号 = 1度/8us;0.5ms-2.5ms0.5ms-30ms舵机角度= 0.74NPWM = 0.5 + NDIV;(DIV=8us)角度04590135180N03E7DBBFAPWM0.5ms1ms1.5ms2ms2.5ms(2)HG14-M舵机的运动协议舵机的转动方向为:逆时针为正转对应N值N=#00H,=0度N=#F5H,=180度1 N 245运动时可以外接较大的转动负载,舵机输出扭矩较大,而且抗抖动性很好,电位器的线性度较高,达到极限位置时也不会偏离目标。2目标规划系统的特征(1)舵机的追随特性角度BA舵机的转速为T时间 舵
7、机稳定在A点不动; CPU发出B点位置坐标的PWM信号; 舵机全速由A点转向B点; T = = B - A CPU发出B点PWM信号后,应该等待一段时间,利用此时间舵机才能转动至B点。那么,具体的保持(等待)时间如何来计算,如下讲解:令:保持时间为T 当TT时,舵机能够到达目标,并有剩余时间;当TT时,舵机不能到达目标;理论上:当T=T时,系统最连贯,而且舵机运动的最快。实际过程中由于2个因素: 1个机器人身上有多个舵机,负载个不相同,所以不同; 某个舵机在不同时刻的外界环境负载也不同,所以不同;则连贯运动时的极限T难以计算出来。目前采取的方法是经验选取值。(2)舵机值测定舵机的值随时变化,所
8、以只能测定一个平均值,或称出现概率最高的点。依据 厂商的经验值; 采用HG14-M具体进行测试;测试实验: 将CPU开通,并开始延时T; 当延时T到达后,观察舵机是否到达目标;测定时采用一段双摆程序,伴随示波器用肉眼观察T与T的关系。(3)舵机值计算一般舵机定为0.16-0.22秒/60度;取0.2秒/60度 1.2秒/360度 0.617秒/185度则为360度/1.2秒,2/1.2秒=300度/秒那么185度转动的时间为185度360度/1.2秒 = 0.6167秒。(4)采用双摆试验验证观察实验过程中的T与T的关系发现:当T定在0.618秒时,利用示波器观察到舵机能够运动至2个目标点。则
9、:T=T= 0.618秒实验过程中,设定舵机运转的目标角度查为185度。最终:=0.2秒/60度3DAV的定义将185度的转角分为250个平均小份。则:每小份为0.74度。定义如下:DAV = 0.74度由于: = 0.2秒/60度则:运行1 DAV所需时间为:0.72度0.2秒/60度 = 2.4 mS;4DIV的定义舵机电路支持的PWM信号为0.5mS2.5mS,总间隔为2mS。若分为250小份,则2mS250 = 0.008 mS = 8uS定义如下:DIV = 8uS角度BAT时间 T = = B - A那么1 DAV(0.74度)对应的T为:0.74度60度/0.2秒 =2.4 67
10、mS.。5单舵机调速算法0.5ms-30ms测试内容:将后部下降沿的时间拉至30ms没有问题,舵机照样工作。将后部下降沿的时间拉至10ms没有问题,舵机照样工作。 将后部下降沿的时间拉至2.6ms没有问题,舵机照样工作。 将后部下降沿的时间拉至500us没有问题,舵机照样工作。实践检验出:下降沿时间参数可以做的很小。目前实验降至500uS,依然工作正常。原因是:(1)舵机电路自动检测上升沿,遇上升沿就触发,以此监测PWM脉宽“头”。 (2)舵机电路自动检测下降沿,遇下降沿就触发,以此监测PWM脉宽“尾”。(1)舵机转动时的极限下降沿PWM脉宽T20msT:舵机运转1DAV(7.4度)所需要的最
11、小时间,目前计算出的数值为2.467mS;T前面的20 mS等待时间可以省略,舵机依然工作;而且得出舵机跟随的最快驱动方式。T极限转动方式实验得出 1.1ms T 50ms;具体实验数据参照下表跟随算法舵机T数据实验表格T值舵机运转特性T与T关系该程序可行度备注500us不能跟随T T不可行800us不能跟随T T不可行1ms不能跟随T T可行最快、平滑1.6ms跟随T T可行最快、平滑2ms跟随T T可行最快、平滑2.6ms跟随T T可行最快、平滑10ms跟随T T可行较慢、平滑20ms跟随T T可行较慢、平滑30ms跟随T T可行较慢、平滑40ms跟随T T可以较慢、微抖50ms跟随T T
12、可以很慢、微抖70ms跟随T T不可以很慢、较抖100ms跟随T T不可以很慢、较抖令人质疑的地方为1.1ms时的表现,得出的T T;也就是说1.1ms = 2.467ms,显然存在问题。经过考虑重新观察PWM波形图发现,电机真正的启动点如下图:B点的PWM启动点B启动点AT极限转动方式实际上由A到B的运动时间为:T = T +(B点的)PWM三8舵机联动单周期PWM指令算法1控制要求要求同时发给8个舵机位置目标值,该指令的执行周期尽量短,目的有2个:其一,是为了将来扩充至24舵机;其二,目标越快,舵机的转动速度越快;我们以8路为1组或称1个单位,连续发出目标位置,形成连续的目标规划曲线,电机
13、在跟随过程中自然形成了位置与速度的双指标曲线,实现8路舵机联动。2注意事项从24个端口,P0.0、P1.0到P2.0,单DIV循环的最小时间只有8us,所以串行运算是不行的,那么就采用并行运算。目前采用的并行算法是P0.0P0.7为一个基本单位,8位一并。实际案例:P1口的8个位置个不相同;端口P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0N寄存器37H36H35H34H33H32H31H30H目标位置(度)180135906050450.740N数值(整数)250187512581167662510PWM宽度ms2.5002.0001.5001.1481.0411.0000
14、.5080.500注意:N为整数,依照上表看出,由于整数原因,定位不能实现的有45度、60度等。时间TT为一个周期,分为2部分1 PWM宽2 延时等待TwPWM38路PWM信号发生算法解析我们预计将整个周期控制在3.5-5ms内;由上图得知:P1口的8个端在不同时间产生下降沿。那么由上例如:我们的P1.5口,他的N为125那么就需要它在125个DIV后产生下降沿,时间为(125*8us=1000us)。我们在其中发现2个关键参数:时间参数N=125逻辑参数 P1.5=#0DFH逻辑参数的定义:如下,采用ANL指令,操作P1口。P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0备注
15、P1.0= # FEH11111110P1.1= # FDH11111101P1.2= # FBH11111011P1.3= # F7H11110111P1.4= # EFH11101111P1.5= # DFH11011111P1.6= # BFH10111111P1.7= # 7FH01111111ANL端口逻辑参数表例如:将P1.5口产生下降沿,就将# 0DFH 去“ANL” P1口。逻辑“ANL”指令,冯“0”得“0”,不影响其他位。具体的程序操作如下: 开3.5ms定时中断 取出8个端(P1.0-P1.7)的位置值,也就是8个N值;并赋予相应的端逻辑参数;M5=N5-N4M6=N6-
16、N5M7=N7-N6M8=N8-N7M1=N1M2=N2-N1M3=N3-N2M4=N4-N3 将这8个值由大到小排列,相应端的逻辑参数值也随着N的顺序排列,一一对应; 将N值做减法,求得: 取出 M1,延时M1*DIV,ANL相应的逻辑参数;取出 M2,延时M2*DIV,ANL相应的逻辑参数;取出 M3,延时M3*DIV,ANL相应的逻辑参数;取出 M4,延时M4*DIV,ANL相应的逻辑参数;取出 M5,延时M5*DIV,ANL相应的逻辑参数;取出 M6,延时M6*DIV,ANL相应的逻辑参数;取出 M7,延时M7*DIV,ANL相应的逻辑参数;取出 M8,延时M8*DIV,ANL相应的逻
17、辑参数; 8个端的下降沿全部产生完毕,等待一定的Tw值,或等待3.5ms中断的到来; 中断到来后,清理中断标志,然后结束该程序。RET注意事项:当进行逐个排序延时的过程中,CPU要取出M1、M2、M3.M8,那么会有1个取数指令周期,当CPU采用12MHz时为1us。最终应该在第8个延时,即M8时扣除掉,具体指令参见指令集。4N排序子程序RAM的制定入口处P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0N值寄存器地址37H36H35H34H33H32H31H30HANL逻辑数寄存器地址3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38HANL逻辑数值#7FH#BFH#DFH#EFH
18、#F7H#FBH#FDH#FEH备注:37寄存器内存放的是P1.7端口的N值;3F寄存器内存放的是P1.7端口的ANL逻辑参数值;出口处从左到右为N值从大到小排列 (大 N值 小)N值寄存器地址30H31H32H33H34H35H36H37HANL逻辑数寄存器地址38H39H3AH3BH3CH3DH3EH3FHANL逻辑数值未知未知未知未知未知未知未知未知所谓的“未知”:由于排列按照大到小顺序,“未知”内存放的为端口信息要根据排序做相应的调整。备注:30H内存放的是某位的N值,其值最大;37H内存放的是某位的N值,其值最小;38H3FH内存放ANL数,可以根据其数值判断出是具体那个端口的下降沿
19、。例如:其值为“#FBH”那么它就是P1.2;5N差子程序解析所谓N差子程序,要观察PWM口的逻辑时序特性。要求连续将8位端口分别产生下降沿。所以有个先后问题,解决的方法有2种:打开8个时间中断;按先后顺序排列,先后触发;由于CPU不能开启8个中断,所以采用后者方法,那么,就可以得出以下结论:第1个 触发位所用的时间为 N1- 0 =M1;第2个 触发位所用的时间为 N2-N1=M2;第3个 触发位所用的时间为 N3-N2=M3;第4个 触发位所用的时间为 N4-N3=M4;第5个 触发位所用的时间为 N5-N4=M5;第6个 触发位所用的时间为 N6-N5=M6;第7个 触发位所用的时间为
20、N7-N6=M7;第8个 触发位所用的时间为 N8-N7=M8; 大 小入口:30H 31H 32H 33H 34H 35H 36H 37H由于上接排序字程序,所以已经按照从大到小排列,做减法后差所以全为正数。大 - 小30H - 31H 30H31H - 32H 31H32H - 33H 32H33H - 34H 33H34H - 35H 34H35H - 36H 35H36H - 37H 36H37H 37H出口30H31H32H33H34H35H36H37H差差差差差差差原数 调用延时程序时,37H最先出,30H最后出。6关于扫尾问题(1)提出扫尾的概念我们提出了1个扫尾的新概念:当CP
21、U执行完8个位的下降沿操作后(最多为2.5ms),会有向下1个周期过渡的时间间隔,其主要为2个功能:保证下降沿的准确性;为舵机的跟踪留出足够的时间;当PWM信号以最小变化量即(1DIV=8us)依次变化时,舵机的分辨率最高,但是速度会减慢。例如:先发一个PWM信号N=125,相隔20ms后再发1个PWM信号N=126。那么舵机在20ms内转动了0.74度,计算得出:=0.74度/20ms = 37度/秒; HG14-M舵机空载时:=300度/秒发现与最快速度相差8倍之多!(2)扫尾值的计算中断延时2.8ms图中有A点、B点,B点A点舵机从PWM_A发出后开始转动,经过T时间后接收完毕PWM_B信号后,又重新开始新的转动。PWM_ BPWM_ATTT=T - PWM_ BlimtT=2.467ms-0.5ms= 1.967msPWM处在最小极限长度时:PWM_A = 0.5msPWM_B = 0.5ms必要条件:T2.467msT=T - PWM_ BlimtT=2.467ms-2.5ms= -0.033msPWM处在最长极限长度时:PWM_A = 2.5msPWM_B = 2.5ms必要条件:T2.467ms为了保证在2种极限情况下舵机都能正常工作,我们取个较长的延时,其经验值为2.8ms;这样舵机都能正常跟随而且速度接近最大值,采用中断法延时2.8ms。
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