舵機(jī)（servomotor），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)品都來自日本、韓國和我國臺灣地區(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，對舵機(jī)控制進(jìn)行了一系列實驗，并取得了很好的實驗效果。

舵機(jī)工作原理

控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)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(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

基于AVR單片機(jī)的舵機(jī)驅(qū)動電路原理圖

1、舵機(jī)驅(qū)動電路板接受上位機(jī)PWM信號對電機(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)角通常由脈寬來控制，一般舵機(jī)都會有三根輸入線（電源正，地，信號線），PWM信號由信號線輸入，上位機(jī)產(chǎn)生周期為20ms左右的方波作為輸入信號，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)計出以下實驗電路（圖2）。通過Atmega8L單片機(jī)和電機(jī)專用驅(qū)動芯片L298N的連接實現(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)可編程存儲器Flash電擦寫可編程存儲器EEPROM隨機(jī)訪問存儲器RAM模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器、大量I/0口、16/8位定時器、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系列常用型號的產(chǎn)品ATMega8L系統(tǒng)時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，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(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)動電源。IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，ENAENB引腳則為使能控制端。本來是通過IN1--IN4輸入用來控制H型橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA、ENB使能控制端，用來輸入PWM信號實現(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信號來控制電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向。

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

上位機(jī)發(fā)出的PWM信號通過Atmega8L的一個I/0口讀入，為了讀取PWM信號的高電平時間，采用計數(shù)方式，使用Atmega8L的T0計數(shù)，T0是一個8位定時器，定時器分頻為8分頻，TCCR0=0x02。若讀入PD0的PWM信號是高電平，T0開始計時，T0的計數(shù)值TCNTO從0計數(shù)到255，產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷，在中斷服務(wù)程序里設(shè)置一個累加器COUNT，每次進(jìn)入中斷服務(wù)程序COUNT加1。當(dāng)PD0口讀入的PWM信號是低電平時，T0停止計時，計算出整個PWM高電平時間是：INPUTPWM=（COUNTX255+TCNT0）/921.6（ms）。若PD0口讀入的PWM高電平時間低于1ms，在程序中處理INPUTPWM=lms，若高于2ms，則INPUTPWM==2ms。

在實驗過程中，為了避免第一次計時未能從PWM信號的高電平始端計時，忽略PWM信號第一次高電平的時間，從PD0口讀到的第二個高電平開始計時。

讀電位器電壓，通過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信號轉(zhuǎn)換為電壓值target=（INPUTPWM-1）*1023，采用這一設(shè)計，有利于減少PWM信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓值的復(fù)雜過程。

用Atmega8L的Tl定時器產(chǎn)生兩路16位pwm信號，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)時間越長，舵機(jī)轉(zhuǎn)動越快，反之則越慢。為了與A/D轉(zhuǎn)換的最大值1023相匹配，減少計算復(fù)雜度，T1定時器采用8號相位與頻率修正PWM模式，讓計數(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，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。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，電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動，此時沒有電流流過電機(jī)，但是舵機(jī)是一個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，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，但是此時只要稍微有外力轉(zhuǎn)動電機(jī)，電機(jī)將流過一個與外力相逆的電流來保持角度，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。對于舵機(jī)而言，上面提到的定時器T1的比較值0CR1就簡單的給定為當(dāng)前的電機(jī)位置和目標(biāo)位置的差值，引入PID控制后，這一項乘以一個系數(shù)kp，作為OCR1的比例項;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，這一項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，這一項的作用是使電機(jī)阻尼來減少電機(jī)抖動。把這三項加起來作為OCRl的值，作為T1定時器的比較值。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)動板以TWI方式與上位機(jī)通訊對舵機(jī)的控制

TWI（Two-wireSerialInterface）作為Atmega8L的一個通訊接口，提供最快400khz的數(shù)據(jù)傳輸率。IWI協(xié)議允許系統(tǒng)設(shè)計者只用兩根雙向傳輸線就可以將128個不同的設(shè)備互連到一起。這兩根線一是時鐘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。這樣在實驗過程中可以很方便的通過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。作為一個實驗產(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。