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    舵機(jī)原理簡述!舵機(jī)PWM信號(hào)介紹
  • 舵機(jī)原理簡述!舵機(jī)PWM信號(hào)介紹
  •   發(fā)布日期: 2019-01-03  瀏覽次數(shù): 3,080

    一、舵機(jī)原理簡述

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

     

    舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖,該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)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(duì)應(yīng)的控制關(guān)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(jī)的追隨特性

    假設(shè)現(xiàn)在舵機(jī)穩(wěn)定在A點(diǎn),這時(shí)候CPU發(fā)出一個(gè)PWM信號(hào),舵機(jī)全速由A點(diǎn)轉(zhuǎn)向B點(diǎn),在這個(gè)過程中需要一段時(shí)間,舵機(jī)才能運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。

    保持時(shí)間為Tw

    當(dāng)Tw≥△T時(shí),舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo),并有剩余時(shí)間;

    當(dāng)Tw≤△T時(shí),舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo);

    理論上:當(dāng)Tw=△T時(shí),系統(tǒng)最連貫,而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。

    實(shí)際過程中w不盡相同,連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T比較難以計(jì)算出來。

    當(dāng)PWM信號(hào)以最小變化量即(1DIV=8us)依次變化時(shí),舵機(jī)的分辨率最高,但是速度會(huì)減慢。

    二、舵機(jī)PWM信號(hào)介紹

    1.PWM信號(hào)的定義 PWM 信號(hào)為脈寬調(diào)制信號(hào),其特點(diǎn)在于他的上升沿與下降沿之間的時(shí)間寬度。具體的時(shí)間寬窄協(xié)議參考下列講述。我們目前使用的舵機(jī)主要依賴于模型行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,隨著機(jī)器人行業(yè)的漸漸獨(dú)立,有些廠商已經(jīng)推出全新的舵機(jī)協(xié)議,這些舵機(jī)只能應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè),已經(jīng)不能夠應(yīng)用于傳統(tǒng)的模型上面了。 目前 舵機(jī)可能是這個(gè)過渡時(shí)期的產(chǎn)物,它采用傳統(tǒng)的 PWM 協(xié)議,優(yōu)缺點(diǎn)一目了然。優(yōu)點(diǎn)是已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,成本低,旋轉(zhuǎn)角度大(目前所生產(chǎn)的都可達(dá)到 185 度); 缺點(diǎn)是控制比較復(fù)雜,畢竟采用 PWM 格式。 但是它是一款數(shù)字型的舵機(jī),其對(duì) PWM 信號(hào)的要求較低: (1) 不用隨時(shí)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(jìn)電機(jī)

    其 PWM 格式注意的幾個(gè)要點(diǎn): (1) 上升沿最少為 0.5mS,為 0.5mS---2.5mS 之間; (2) HG14-M 數(shù)字舵機(jī)下降沿時(shí)間沒要求,目前采用 0.5Ms 就行;也就是說 PWM 波形可以是一個(gè)周期 1mS 的標(biāo)準(zhǔn)方波; (3) HG0680 為塑料齒輪模擬舵機(jī),其要求連續(xù)供給 PWM 信號(hào);它也可以輸入一個(gè)周期為 1mS 的標(biāo)準(zhǔn)方波,這時(shí)表現(xiàn)出來的跟隨性能很好、很緊密。

    2.PWM信號(hào)控制精度制定

    如果采用的是 8 位單片機(jī)AT89C52CPU,其數(shù)據(jù)分辨率為256,那么經(jīng)過舵機(jī)極限參數(shù)實(shí)驗(yàn),得到應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與定位。 舵機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng) 185 度,那么185 度÷250=0.74 度,則:舵機(jī)的控制精度為 0.74 度。

    1 DIV = 8us ; 250DIV=2ms時(shí)基寄存器內(nèi)的數(shù)值為:(#01H)01 ----(#0FAH)250。 共 185 度,分為 250 個(gè)位置,每個(gè)位置叫 1DIV。則:185÷250 = 0.74 度 / DIV PWM 上升沿函數(shù): 0.5ms + N×DIV 0us ≤ N×DIV ≤ 2ms 0.5ms ≤ 0.5ms+N×DIV ≤ 2.5ms

    二.單舵機(jī)拖動(dòng)及調(diào)速算法

    1.舵機(jī)為隨動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時(shí),將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動(dòng)。 (2)當(dāng)其到達(dá)目標(biāo)位置時(shí),將自動(dòng)保持該位置。所以對(duì)于數(shù)字舵機(jī)而言,PWM 信號(hào)提供的是目標(biāo)位置,跟蹤運(yùn)動(dòng)要靠舵機(jī)本身。 (3)像 HG0680 這樣的模擬舵機(jī)需要時(shí)刻供給 PWM 信號(hào),舵機(jī)自己不能鎖定目標(biāo)位置。所以我們的控制系統(tǒng)是一個(gè)目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)。 (1)HG14-M舵機(jī)的位置控制方法 舵機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)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(jīng)過實(shí)際測試和規(guī)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(hào) = 1 度/8us;

    (2)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)議

    運(yùn)動(dòng)時(shí)可以外接較大的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載,舵機(jī)輸出扭矩較大,而且抗抖動(dòng)性很好,電位器的線性度較高,達(dá)到極限位置時(shí)也不會(huì)偏離目標(biāo)。

    2、目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)的特征

    (1)舵機(jī)的追隨特性

    ① 舵機(jī)穩(wěn)定在 A 點(diǎn)不動(dòng); ② CPU 發(fā)出 B 點(diǎn)位置坐標(biāo)的 PWM 信號(hào); ③ 舵機(jī)全速由 A 點(diǎn)轉(zhuǎn)向 B 點(diǎn); △ф = фB - фA        △T = △ф÷ω ④ CPU 發(fā)出 B 點(diǎn) PWM 信號(hào)后,應(yīng)該等待一段時(shí)間,利用此時(shí)間舵機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)至 B 點(diǎn)。那么,具體的保持(等待)時(shí)間如何來計(jì)算,如下講解: 令:保持時(shí)間為 Tw 當(dāng) Tw≥△T 時(shí),舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo),并有剩余時(shí)間; 當(dāng) Tw≤△T 時(shí),舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo); 理論上:當(dāng) Tw=△T 時(shí),系統(tǒng)最連貫,而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。 實(shí)際過程中由于 2 個(gè)因素: ① 1 個(gè)機(jī)器人身上有多個(gè)舵機(jī),負(fù)載個(gè)不相同,所以ω不同; ② 某個(gè)舵機(jī)在不同時(shí)刻的外界環(huán)境負(fù)載也不同,所以ω不同; 則連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T 難以計(jì)算出來。 目前采取的方法是經(jīng)驗(yàn)選取ω值。

    (2)舵機(jī)ω值測定 舵機(jī)的ω值隨時(shí)變化,所以只能測定一個(gè)平均值,或稱出現(xiàn)概率最高的點(diǎn)。 依據(jù)

    ① 廠商的經(jīng)驗(yàn)值; ② 采用 HG14-M 具體進(jìn)行測試; 測試實(shí)驗(yàn):

    ① 將 CPU 開通,并開始延時(shí) Tw; ② 當(dāng)延時(shí) Tw到達(dá)后,觀察舵機(jī)是否到達(dá)目標(biāo); 測定時(shí)采用一段雙擺程序,伴隨示波器用肉眼觀察 Tw與△T 的關(guān)系。 (3)舵機(jī)ω值計(jì)算 一般舵機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間為 185 度÷360 度/1.2 秒 = 0.6167 秒。 (4)采用雙擺試驗(yàn)驗(yàn)證

    3.DAV的定義將 185 度的轉(zhuǎn)角分為 250 個(gè)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(yùn)行 1 DAV 所需時(shí)間為:0.72 度*0.2 秒/60 度 = 2.4 ms;

    4.DIV的定義舵機(jī)電路支持的 PWM 信號(hào)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(jī)調(diào)速算法

    測試內(nèi)容:將后部下降沿的時(shí)間拉至 30ms 沒有問題,舵機(jī)照樣工作。

    將后部下降沿的時(shí)間拉至 10ms 沒有問題,舵機(jī)照樣工作。 將后部下降沿的時(shí)間拉至 2.6ms 沒有問題,舵機(jī)照樣工作。 將后部下降沿的時(shí)間拉至 500us 沒有問題,舵機(jī)照樣工作。 實(shí)踐檢驗(yàn)出:下降沿時(shí)間參數(shù)可以做的很小。目前實(shí)驗(yàn)降至 500uS,依然工作正常。 原因是:

    (1)舵機(jī)電路自動(dòng)檢測上升沿,遇上升沿就觸發(fā),以此監(jiān)測 PWM 脈寬“頭”。 (2)舵機(jī)電路自動(dòng)檢測下降沿,遇下降沿就觸發(fā),以此監(jiān)測 PWM 脈寬“尾”。

    (1)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的極限下降沿PWM脈寬

    令人質(zhì)疑的地方為 1.1ms 時(shí)的表現(xiàn),得出的 Tw≈ △T; 也就是說 1.1ms = 2.467ms,顯然存在問題。 經(jīng)過考慮重新觀察 PWM 波形圖發(fā)現(xiàn),電機(jī)真正的啟動(dòng)點(diǎn)如下圖:

    實(shí)際上由 A 到 B 的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為:△T = Tw +(B 點(diǎn)的)PWM


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