機(jī)器人中舵機(jī)應(yīng)用原理畢業(yè)論文

1、北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 引 言機(jī)器人是上個(gè)世紀(jì)中葉迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在發(fā)達(dá)國家，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，遍及工業(yè)、國防、宇宙空間、海洋開發(fā)、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)，人們已經(jīng)越來越親身地感受到機(jī)器人的深入生產(chǎn)，深入生活，深入社會(huì)的堅(jiān)實(shí)步伐。機(jī)器人技術(shù)在不斷發(fā)展提高，機(jī)器人系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)裝置也在不斷更新，用以滿足更高的控制要求。舵機(jī)就是在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)展中誕生的新型驅(qū)動(dòng)裝置。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的方法對(duì)舵機(jī)電路的工作原理進(jìn)行了研究分析，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)舵機(jī)的控制，概述了程序控制思路，并提出了一種單片機(jī)對(duì)舵機(jī)的閉

2、環(huán)控制方式，并根據(jù)提出的閉環(huán)控制思路進(jìn)行了閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并對(duì)控制系統(tǒng)做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。1、概述1.1機(jī)器人的定義及應(yīng)用環(huán)境機(jī)器人是能自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的一些工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。國際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器，是一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)?！睓C(jī)器人的產(chǎn)生是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果

3、，也是生產(chǎn)力發(fā)展的必然結(jié)果，人們總是期待有種機(jī)器能夠代替我們?nèi)氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動(dòng)，社會(huì)的發(fā)展總是需要進(jìn)行大批量的生產(chǎn)制造，需要不斷的提高生產(chǎn)效率，可以說機(jī)器人是為了滿足我們的發(fā)展需要而創(chuàng)造出來的。而后發(fā)展的各種各樣的機(jī)器人也是由于人類的需要所設(shè)計(jì)的，隨著人們需求角度的增加，各種各樣的機(jī)器人還會(huì)在今后問世。我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等。1.2機(jī)

4、器人系統(tǒng)組成機(jī)器人的所有部件夠成了一個(gè)整體的運(yùn)行系統(tǒng)，該系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置、控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。機(jī)器人的系統(tǒng)組成如圖1：圖1 機(jī)器人系統(tǒng)組成圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為機(jī)器人本體，各種機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)各不相同，最平常的為移動(dòng)裝置和機(jī)械臂等。對(duì)于正在飛速發(fā)展的擬人化機(jī)器人而言，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于控制電路使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。檢測(cè)裝置的

5、作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求?？刂葡到y(tǒng)為微型計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行。控制系統(tǒng)就相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，機(jī)器人的所有動(dòng)作，都是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令完成的。1.3機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向機(jī)器人技術(shù)隨著科技的發(fā)展在不斷提高，不斷更新，未來機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向要從以下幾個(gè)方面講。首先是軟件及其控制方式，也就是機(jī)器人的大腦?，F(xiàn)在多數(shù)機(jī)器人都是有固定的程序，將來的機(jī)器人要有自己學(xué)習(xí)的能力以及對(duì)環(huán)境的感知能力，使其更具人性化，好的控制方式可以提高機(jī)器人的工作特性，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)更加合理。對(duì)機(jī)器人的控

6、制常見的方法有獨(dú)立PID控制、模糊自適應(yīng)控制、反演控制、滑?？刂啤⒆赃m應(yīng)魯棒控制等，這些都是靠軟件程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)不同的機(jī)器人不同的驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)器人的控制方式也不相同，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，新型的控制方式也會(huì)不斷出現(xiàn)，但目的都是使機(jī)器人工作更智能、更穩(wěn)定，響應(yīng)速度更快，更好的滿足控制特性要求。而對(duì)于控制方式這個(gè)方向的發(fā)展有很多的可能，人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都屬于其技術(shù)發(fā)展方向，以后會(huì)有很多新的理念和科技出現(xiàn)。其次是硬件，也就是機(jī)器人的身體。很多人認(rèn)為長(zhǎng)得像人的才是機(jī)器人，實(shí)際上世界上大多數(shù)的機(jī)器人都不是人形的。由于現(xiàn)今技術(shù)的限制，機(jī)器人還不夠靈活，本身的限制還很多。將來生物芯片、新的電機(jī)和電池技術(shù)

7、會(huì)讓機(jī)器人更加靈活，處理事務(wù)更快，控制更加精準(zhǔn)。從重要性上來講，還是軟件控制方法的制約比較大，要想真的實(shí)現(xiàn)可以自主學(xué)習(xí)的機(jī)器人，人類還要走很久的路。所以總的來說，機(jī)器人的發(fā)展方向是向更加智能，更加靈活，更加有自主學(xué)習(xí)和對(duì)環(huán)境的感知能力。2、機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)裝置舵機(jī)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其驅(qū)動(dòng)裝置也在不斷的更新，這就在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置中誕生了一個(gè)新的詞匯，那就是舵機(jī)。在當(dāng)代各式各樣的機(jī)器人中，舵機(jī)已經(jīng)變成了最關(guān)鍵、大量使用的部件，對(duì)于小型機(jī)器人來說，舵機(jī)的使用更為常見，因?yàn)樗w積小、功率相對(duì)強(qiáng)勁，而且控制接口的連接非常簡(jiǎn)單。依據(jù)控制方式的特點(diǎn)，舵機(jī)也稱為微型伺服馬達(dá)。早期在模型上使用最多，主要用于控

8、制模型的舵面，所以俗稱舵機(jī)，后來逐漸應(yīng)用在機(jī)器人上，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置用到了舵機(jī)。舵機(jī)接受一個(gè)簡(jiǎn)單的控制指令就可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)比較精確的角度，非常適合在關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品上使用。仿人型機(jī)器人就是舵機(jī)運(yùn)用的最高境界。舵機(jī)的種類多種多樣，大體種類有模擬舵機(jī)、數(shù)字舵機(jī)、電動(dòng)舵機(jī)、氣動(dòng)舵機(jī)、總線舵機(jī)等，它們的控制方式也不盡相同。每一個(gè)種不同的舵機(jī)，也會(huì)有不同的型號(hào)，每個(gè)生產(chǎn)舵機(jī)的公司都在努力研制有自己獨(dú)立特點(diǎn)的舵機(jī)，相信今后的舵機(jī)生產(chǎn)技術(shù)會(huì)不斷的提高。模擬舵機(jī)是舵機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要對(duì)模擬舵機(jī)進(jìn)行了分析和研究，所以在本文的內(nèi)容也是圍繞模擬舵機(jī)展開的。2.1舵機(jī)作為機(jī)

9、器人驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)舵機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置有它特定的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然，也不是所有的機(jī)器人都應(yīng)該用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這里要視情況而定。當(dāng)代的機(jī)器人所采用的驅(qū)動(dòng)裝置多為步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)。下面對(duì)兩種種驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)加以比較。步進(jìn)電機(jī)的一項(xiàng)重要的優(yōu)點(diǎn)是可以精確的控制輸出軸的轉(zhuǎn)角位置，一般而言，只要步進(jìn)電機(jī)正常工作，它就可以提供精確的位置精度，因?yàn)橥ǔ２竭M(jìn)電機(jī)的每一步都不到1°。但步進(jìn)電機(jī)必須按照一定的順序給各個(gè)繞組供電，不斷循環(huán),才能讓步進(jìn)電機(jī)維持持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。如果打算用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，就必須應(yīng)付隨之而來的控制電流的麻煩,另外需要指出，與一般的直流電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)所提供的轉(zhuǎn)矩比較小，消耗的電量卻

10、比較大。步進(jìn)電機(jī)在工作過程中，每接收一個(gè)控制脈沖就移動(dòng)一個(gè)步距角，即前進(jìn)一步，若連續(xù)地輸入控制脈沖，電動(dòng)機(jī)就相應(yīng)地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但往往在工作中，步進(jìn)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生丟步問題。丟步時(shí)，轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)小于脈沖數(shù)。產(chǎn)生的原因也不同，通常產(chǎn)生的原因有；轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場(chǎng)的平均旋轉(zhuǎn)速度或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及所帶負(fù)載存在慣性過大等。這就更加大了步進(jìn)電機(jī)的控制難度。直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，適合用在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，比較容易用各種方法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，控制簡(jiǎn)單，調(diào)速方便，但直流電機(jī)往往轉(zhuǎn)速很快。而機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往不需要很快的速度，有時(shí)甚至一分鐘內(nèi)只需要幾轉(zhuǎn)，

11、這就必須加入特定的裝置對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行減速。直流電機(jī)在運(yùn)行過程中，想要控制電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)到指定的位置很難，但隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，使用直流電機(jī)構(gòu)成的位置伺服系統(tǒng)完全可以達(dá)到這種控制要求。舵機(jī)就是這種控制的一個(gè)實(shí)例，它是在直流電機(jī)上加入了伺服環(huán)節(jié)，使其可以實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)角的控制。舵機(jī)的基本組成分為三部分；一個(gè)直流電機(jī)、一個(gè)內(nèi)置減速器、一個(gè)內(nèi)置的位置反饋器。所以舵機(jī)集成了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并能通過內(nèi)置減速器和位置反饋器實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)角位置的精確控制，減速器也把直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速成倍的減小，通過齒輪組又加大了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的加大可以明顯的提高負(fù)載承受能力。但是常用的舵機(jī)也存在一些缺點(diǎn)，例如由于體積和結(jié)構(gòu)原

12、因，對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的直接測(cè)量有一定的難度，這對(duì)于直接速度閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)加大了難度，進(jìn)而會(huì)影響舵機(jī)的控制特性。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的就是探討一種能夠提高舵機(jī)輸出軸位置控制特性的方法。2.2舵機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 舵機(jī)是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的機(jī)電系統(tǒng)。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）用于檢測(cè)輸齒輪箱輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制器根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。圖2 舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)主要有幾個(gè)部分組成：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路等。圖3就是一個(gè)模擬的舵機(jī)實(shí)

13、物圖：圖3 舵機(jī)實(shí)物圖舵機(jī)的外殼一般是塑料的，特殊的舵機(jī)可能會(huì)有鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機(jī)內(nèi)的電機(jī)運(yùn)行在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。金屬外殼也可以提供更牢固的固定位置。齒輪箱有塑料齒輪、混合齒輪、金屬齒輪的差別。塑料齒輪成本底，噪音小，但強(qiáng)度較低；金屬齒輪強(qiáng)度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會(huì)有很大的噪音。小扭矩舵機(jī)、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機(jī)一般都用塑料齒輪，如Futaba 3003，輝盛的9g微舵。金屬齒輪一般用于功率密度較高的舵機(jī)上，比如輝盛的995舵機(jī)。995在和3003一樣體積的情況下卻能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用鈦合金作為齒輪材料，其

14、高強(qiáng)度能保證3003大小的舵機(jī)能提供20幾公斤的扭矩?；旌淆X輪在金屬齒輪和塑料齒輪間做了折中。舵機(jī)的控制電路中，一般都含有兩種芯片：信號(hào)調(diào)制芯片和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用信號(hào)調(diào)制芯片來獲得直流偏置電壓，用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)芯片多為H橋，這兩塊芯片就相當(dāng)于控制電路的大腦，除了兩種芯片外還有若干的電阻電容連接在電路中。每一種舵機(jī)的控制電路中，所用的芯片型號(hào)各不相同，但是整體工作原理大致相同。圖4為舵機(jī)內(nèi)部實(shí)物圖如下：圖4 舵機(jī)內(nèi)部實(shí)物圖2.3舵機(jī)工作原理下面按圖2所示的舵機(jī)結(jié)構(gòu)框圖對(duì)舵機(jī)的控制原理做一論述?？刂齐娐方邮湛刂泼}沖，此脈沖信號(hào)信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后得到一個(gè)直流偏置電壓。此電壓輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電

15、路，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)直流偏置電壓的高低，通過H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大相應(yīng)倍數(shù)，然后輸出。電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度并反饋至控制電路。控制電路檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。模擬舵機(jī)需要一個(gè)外部控制器產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)來告訴舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖寬度是舵機(jī)控制器所需的編碼信息。舵機(jī)的控制脈沖周期為 20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對(duì)應(yīng)-90 度到+90 度的位置。如圖5所示：圖5舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角圖在0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的脈寬可以通過控制器隨意調(diào)節(jié)，根據(jù)脈寬的變化，舵機(jī)的旋

16、轉(zhuǎn)角度就會(huì)根據(jù)所給脈沖寬度旋轉(zhuǎn)到指定的角度。脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生可以有多種方法，例如可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)構(gòu)成舵機(jī)的控制器。FPGA成本高且電路復(fù)雜，不宜實(shí)現(xiàn)控制，但是脈寬輸出精度很高。模擬電路中，常用的一種方法是采用調(diào)制信號(hào)獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號(hào)，這對(duì)運(yùn)放器件的選擇有較高要求。從電路體積和功耗考慮也不易采用，5mV以上的控制電壓的變化就會(huì)引起舵機(jī)的抖動(dòng)，電源和其他器件的信號(hào)噪聲都遠(yuǎn)大于5mV，所以濾波電路的精度難以達(dá)到舵機(jī)的控制精度要求。單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠?；趩纹瑱C(jī)的舵機(jī)控制方法具有簡(jiǎn)單、精度

17、高、成本低、體積小的特點(diǎn)，并可根據(jù)不同的舵機(jī)數(shù)量加以靈活應(yīng)用。2.4舵機(jī)參數(shù)舵機(jī)的參數(shù)主要有幾個(gè)方面：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、尺寸、重量和材質(zhì)等。機(jī)器人中使用什么樣的舵機(jī)，舵機(jī)是否滿足控制要求需要對(duì)以上幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。1、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速由舵機(jī)無負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60°角所需時(shí)間來衡量，常見舵機(jī)的速度一般在0.11S/60°0.21S/60°之間。在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)要選擇速度合適的舵機(jī)，以便機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠滿足控制要求，如何選擇視情況而定。2、轉(zhuǎn)矩舵機(jī)轉(zhuǎn)矩的單位是KG·CM，可以理解為在舵盤上距舵機(jī)軸中心水平距離1CM處，舵機(jī)能夠帶動(dòng)的物體重量。通俗講舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩高

18、，舵機(jī)的力量就大，但轉(zhuǎn)矩高的舵機(jī)一般成本較高，在選擇的時(shí)候要選擇合適轉(zhuǎn)矩的舵機(jī)。比如在人形機(jī)器人中，兩條腿需要支撐整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)，承受整個(gè)身體的重量，所以腿部所使用的舵機(jī)必須能夠提供大的轉(zhuǎn)矩，滿足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。3、電壓工作電壓和舵機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩息息相關(guān)，在4.8V和6V兩種工作電壓下這兩個(gè)參數(shù)有比較大的差別。如Futaba S-9001 在 4.8V 時(shí)扭力為 3.9kg、速度為 0.22 秒，在 6.0V 時(shí)扭力為 5.2kg、速度為 0.18 秒。若無特別注明，JR 的舵機(jī)都是以 4.8V 為工作電壓，F(xiàn)utaba則是以 6.0V 作為工作電壓。 舵機(jī)的工作電壓對(duì)性能有重大的影響，舵機(jī)

19、推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當(dāng)然，有的舵機(jī)可以在7V以上工作，12V的舵機(jī)也不少。較高的電壓可以提高電機(jī)的速度和扭矩。選擇舵機(jī)還需要看機(jī)器人的控制卡所能提供的電壓。4、尺寸、重量和材質(zhì)舵機(jī)的功率（速度×轉(zhuǎn)矩）和舵機(jī)的尺寸比值可以理解為該舵機(jī)的功率密度，一般同樣品牌的舵機(jī)，功率密度大的價(jià)格高。塑料齒輪的舵機(jī)在超出極限負(fù)荷的條件下使用可能會(huì)崩齒，金屬齒輪的舵機(jī)則可能會(huì)電機(jī)過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對(duì)的傾向，關(guān)鍵是將舵機(jī)使用在設(shè)計(jì)規(guī)格之內(nèi)。3、舵機(jī)電路結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)與工作原理分析本畢業(yè)設(shè)計(jì)最重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是以futaba s3003模擬舵機(jī)為研究對(duì)象，分析了解舵機(jī)內(nèi)部電路

20、結(jié)構(gòu)并對(duì)舵機(jī)工作原理進(jìn)行深入的研究。并根據(jù)研究的結(jié)果，分析研究對(duì)舵機(jī)電路改善方案，以滿足更高的控制特性要求。舵機(jī)的控制電路是控制整個(gè)舵機(jī)運(yùn)行的重要部分，理解舵機(jī)的工作原理就要從控制電路入手，從控制電路的芯片入手。由于無法找到關(guān)于futaba s3003模擬舵機(jī)控制電路中芯片的具體資料，所以畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用對(duì)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用直接檢測(cè)的方法研究舵機(jī)的工作原理。用檢測(cè)的方法去驗(yàn)證電路中原件參數(shù)的選擇是否合理，驗(yàn)證控制芯片如何控制舵機(jī)工作。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用的futaba s3003模擬舵機(jī)的電路圖如圖6所示：圖6 futaba s3003的舵機(jī)電路框圖電路由一塊信號(hào)調(diào)制芯片BA6688L，一塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)

21、芯片BAL6686（為H橋驅(qū)動(dòng)電路），一個(gè)直流電機(jī)，一個(gè)5K電位器，及相應(yīng)的電阻電容構(gòu)成。3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果由電路框圖可知在舵機(jī)電路中兩塊芯片是整個(gè)控制電路的關(guān)鍵器件，因此把主要檢測(cè)對(duì)象放在這兩塊芯片上。檢測(cè)方法是在電路運(yùn)行過程中，用示波器對(duì)芯片的管腳波形進(jìn)行檢測(cè)，調(diào)節(jié)控制器的脈沖寬度分別是周期為20ms的0.5ms ，1ms ，1.5ms ，2ms ，2.5ms的正脈寬，各個(gè)管腳的波形會(huì)根據(jù)輸入的脈沖寬度按照一定的規(guī)律變化，記錄各個(gè)管腳的電壓波形變化情況。由于舵機(jī)的電路全部封裝在舵機(jī)的外殼內(nèi)，示波器的信號(hào)筆無法觸到芯片管腳，想要對(duì)其電路進(jìn)行檢測(cè)存在一定的困難。所采用的方法是拆開舵機(jī)外殼

22、，給芯片的管腳焊接連接線，把連接線引出舵機(jī)外殼，以方便測(cè)量，需要注意的是連接線一定絕緣，否則會(huì)引起控制電路的短路，可能會(huì)損壞整個(gè)舵機(jī)電路。 3.1.1信號(hào)調(diào)制芯片BA6688L的管腳電壓檢測(cè)信號(hào)調(diào)制芯片BA6688L中有幾個(gè)環(huán)節(jié)，分別為線性脈沖產(chǎn)生器、參考電壓調(diào)節(jié)器、脈沖寬度比較器和脈沖展寬器。芯片通過這幾個(gè)環(huán)節(jié)的組合作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入脈沖信號(hào)的解調(diào)。2、3管腳為芯片中脈沖展寬器的輸出，通過濾波電容進(jìn)行濾波后把信號(hào)傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BAL6686，以起到對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的控制作用。由于舵機(jī)在閉環(huán)過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度后很快停止，這個(gè)過程只用了很短的時(shí)間，且電機(jī)一但轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干

23、擾。因此無法很快檢測(cè)到波形的變化，所以采用斷開電機(jī)讓電機(jī)停轉(zhuǎn)的方式，也就是斷開了反饋環(huán)節(jié)的方法對(duì)管腳波形進(jìn)行檢測(cè)。 2管腳無法檢測(cè)到波形變化，3管腳在五種輸入脈沖變化下的波形變化如圖7：圖7 信號(hào)調(diào)制芯片3管腳波形變化圖得到占空比不斷變化高低電平近似相等的方波，這些經(jīng)過展寬后的方波進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由此可以看出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠調(diào)整方波占空比的驅(qū)動(dòng)方式。7管腳也與脈沖展寬器相連，用來設(shè)置脈沖展寬器的增益，檢測(cè)到的波形變化如圖8：圖8 信號(hào)調(diào)制芯片7管腳變化結(jié)果通過檢測(cè)得到固定的三角波，因此推斷出芯片的脈沖展寬器增益不變。8管腳與芯片中的參考電壓調(diào)節(jié)器相連，管腳外接電位器的一端。通過電路框圖得知參考

24、電壓調(diào)節(jié)器這個(gè)模塊在芯片中屬于獨(dú)立模塊與其它模塊并未相連，通過檢測(cè)結(jié)果得知，其管腳電壓固定為2.14V，屬于參考基準(zhǔn)電壓。9、11管腳與芯片內(nèi)部的線性脈沖產(chǎn)生器相連。檢測(cè)后9管腳為固定的電壓值1.32V。檢測(cè)后11管腳的波形結(jié)果圖9：圖9 信號(hào)調(diào)制芯片11管腳波形變化結(jié)果得到周期近似不變，但電壓幅值根據(jù)輸入脈沖變化的三角波。10管腳為兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)的信號(hào)疊加，取自電機(jī)的速度反饋和和取自電位器的位置反饋，通過疊加后由10管腳進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片的線性脈沖產(chǎn)生器。給定正脈寬為0.5ms，1ms ，1.5ms ，2ms ，2.5ms的五種脈沖，10管腳的檢測(cè)結(jié)果分別為五個(gè)幅值不同的電壓值0.38V，0.8

25、1V，1.25V，1.68V和2.08V，與11管腳實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的疊加。3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BALl6686的管腳電壓檢測(cè)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片BAL6686進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過電路框圖可知2、6管腳連接電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，分別接電機(jī)兩端，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律必定跟2、6管腳的波形變化相關(guān)。所以對(duì)2、6管腳同時(shí)檢測(cè)，由于閉環(huán)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)角度后很快停止，示波器不能很快跟蹤到波形變化情況。所以先斷開電機(jī)，檢測(cè)開環(huán)時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片2、6管腳的變化情況。檢測(cè)結(jié)果如圖10：圖10 開環(huán)時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片2、6管腳的變化結(jié)果如檢測(cè)結(jié)果所示，2、6管腳電平正好相反，因此滿足直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)要求。但開環(huán)時(shí)的檢測(cè)結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映電路的運(yùn)行情況，

26、需要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶上反饋裝置進(jìn)一步測(cè)量舵機(jī)閉環(huán)時(shí)的2、6管腳波形變化情況。但電機(jī)一旦轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁干擾，波形的變化情況會(huì)不穩(wěn)定，而且閉環(huán)結(jié)果會(huì)在很快的速度內(nèi)讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，下一個(gè)脈沖來臨后電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此只能近似描繪出閉環(huán)時(shí)2、6管腳的波形變化。閉環(huán)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片2、6管腳的波形變化情況如圖11：圖11 閉環(huán)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片2、6管腳的波形變化結(jié)果以上的波形圖只是一個(gè)近似情況，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)管腳波形的抓拍，電機(jī)轉(zhuǎn)到指定角度后會(huì)停止，停止后不會(huì)再有波形的變化。2、6管腳都恒定為固定的電壓值2.12V和-2.16V。以上的波形圖并沒有標(biāo)注波形周期或正負(fù)脈沖寬度，因?yàn)樗皇侵芷诓ㄐ危陔姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中

27、它會(huì)變化，隨著電機(jī)將要停轉(zhuǎn)時(shí)，2、6管腳也就會(huì)變成穩(wěn)定電壓值?？梢杂^察出在輸入0.5ms脈寬時(shí)，管腳波形已經(jīng)是兩個(gè)平穩(wěn)的電壓，因?yàn)榇藭r(shí)的舵機(jī)并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)而是停在-90°。當(dāng)1ms的脈寬到來時(shí)，舵機(jī)才開始轉(zhuǎn)動(dòng)。還有一點(diǎn)需要注意，在2.5ms時(shí)，波形跟前幾種脈沖有很大的區(qū)別，原因是在這時(shí)候舵機(jī)已經(jīng)停在了舵盤上90°的位置，舵盤不能再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了，但電機(jī)還再轉(zhuǎn)動(dòng)，這就形成了舵機(jī)的堵轉(zhuǎn)。這并不影響舵機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用。一般高精度的舵機(jī)，就會(huì)避免這一現(xiàn)象，轉(zhuǎn)到90°時(shí)舵機(jī)也會(huì)停止。如果電機(jī)在此時(shí)不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，那就會(huì)大大的消耗電源功率。3.1.3直流電機(jī)參數(shù)測(cè)量為了對(duì)舵機(jī)電路中的速

28、度反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，需要檢測(cè)直流電機(jī)的內(nèi)阻和額定電路。檢測(cè)電機(jī)內(nèi)阻方法是拆下舵機(jī)中的電機(jī)，給電機(jī)串聯(lián)一個(gè)電阻，電阻阻值要選的適當(dāng)（應(yīng)滿足電機(jī)要轉(zhuǎn)但無法轉(zhuǎn)時(shí)）因?yàn)榇藭r(shí)沒有電勢(shì)存在。試驗(yàn)中選擇200歐姆的電阻，并給電路加5V穩(wěn)壓源。如圖12所示：圖12 檢測(cè)方法示意圖用萬用表測(cè)試200歐姆上的電壓為4.79V，Ra上的壓降就為0.21V，計(jì)算出電機(jī)內(nèi)阻為8.77，測(cè)量電機(jī)內(nèi)阻只為了知道其是否小到可以忽略，這種方法的測(cè)量所得到的也只是近似值。電機(jī)的額定電流的檢測(cè)很困難，因?yàn)榱鬟^電機(jī)的電流總是在變化。實(shí)驗(yàn)中采用間接測(cè)量舵機(jī)電路總電流的方式，如果總電流很小，那么流過電機(jī)的電流就會(huì)更小。檢測(cè)舵機(jī)電路總電流

29、的方法同檢測(cè)電機(jī)內(nèi)阻的方法一樣，在舵機(jī)總電路中串聯(lián)電阻，這個(gè)電阻一定要很小，否則舵機(jī)不會(huì)運(yùn)行，選4.2歐姆。如圖13所示：圖13 檢測(cè)方法示意圖用萬用表檢測(cè)到4.2電阻上的壓降為0.5V，算得舵機(jī)總電路流過的電流為0.12A。因此可知流過舵機(jī)內(nèi)部直流電機(jī)的最大值為0.12A，但流過舵機(jī)內(nèi)直流電機(jī)的電流，應(yīng)該會(huì)比電路總電流小很多，此時(shí)可以近似忽略。3.2根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行舵機(jī)電路工作原理分析通過對(duì)舵機(jī)內(nèi)部電路的檢查結(jié)果進(jìn)行分析，可以基本了解舵機(jī)電路的工作原理?？刂破鞯拿}沖信號(hào)從12管腳進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，與芯片內(nèi)部的線性脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的三角波通過脈寬比較器進(jìn)行比較。比較出脈寬誤差信號(hào)和方向誤差信號(hào)，

30、兩種誤差信號(hào)進(jìn)入芯片的脈沖展寬器進(jìn)行信號(hào)放大。得到直流的偏置電壓，從2、3管腳輸出，通過濾波電容濾波后進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的3、5腳，驅(qū)動(dòng)芯片為H橋驅(qū)動(dòng)電路，2、6腳連接直流電機(jī)。信號(hào)調(diào)制芯片得到脈沖后，電機(jī)就開始旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)通過齒輪組帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)。信號(hào)調(diào)制芯片的8管腳接電位器的一端，檢測(cè)結(jié)果為固定電壓2.14V。通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)芯片2、6管腳的電壓的結(jié)果得知，電機(jī)停轉(zhuǎn)后兩個(gè)管腳的電壓為2.12V和2.16V，和電位器的電壓近似相等，因此得知當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片2、6管腳的電壓與電位器電壓相等時(shí)，電機(jī)就停轉(zhuǎn)。下一個(gè)脈沖信號(hào)到來時(shí)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到2、6管腳的電壓和電位器電壓相等后，電機(jī)再次停轉(zhuǎn)。舵機(jī)就是用這

31、樣的方法讓舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度的，這就是舵機(jī)電路中用電位器實(shí)現(xiàn)的位置反饋。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，無論作為電動(dòng)機(jī)還是作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電樞都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一般稱為反電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)與轉(zhuǎn)速成比例變化即： （式1） 通過對(duì)舵機(jī)電路框圖的觀察可知，futaba s3003模擬舵機(jī)電路中，速度反饋環(huán)取自電機(jī)的端電壓，依據(jù)的原理公式： （式2）可知，當(dāng)忽略時(shí)可有： （式3）即認(rèn)為此時(shí)電壓近似等于電勢(shì)，也就是說電壓反饋近似速度反饋。如此方法構(gòu)成了舵機(jī)電路中的速度反饋環(huán)。通過對(duì)電機(jī)參數(shù)的檢測(cè)可知最大值為1，通過對(duì)電路框圖的分析，最大值為5，如果全部按最大

32、值計(jì)算，那么此時(shí)的速度反饋存在20%的誤差精度。兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)的反饋信號(hào)疊加后通過10管腳進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，再次比較脈寬誤差信號(hào)和方向誤差信號(hào)，通過展寬送給驅(qū)動(dòng)芯片。這里需要指出，F(xiàn)utaba之外的其它廠家使用的不是BA6688這款I(lǐng)C， 一般選擇M51660、AA5188、 YT5166，這些芯片一般沒有速度反饋環(huán)，只有一個(gè)電位器的位置反饋環(huán)，可見兩者反饋的疊加可以更好的保證最高速度穩(wěn)定。對(duì)電路的研究可知，此舵機(jī)電路存在一定的缺點(diǎn)，由于輸入電壓范圍較窄，不能準(zhǔn)確的控制速度。在本次實(shí)驗(yàn)中，嘗試了修改電路參數(shù)的方法，提高舵機(jī)的速度控制。最后得出結(jié)論，可以通過增大速度控制環(huán)的增益改變舵機(jī)的速度，方法

33、就是把舵機(jī)電路中速度控制環(huán)的增益電阻減小，用320K的電阻，代替速度控制環(huán)的910K電阻。但這樣做的同時(shí)增加了整個(gè)伺服環(huán)的增益，結(jié)果導(dǎo)致了舵機(jī)的不穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)舵機(jī)的輸出軸不能到達(dá)指定的位置。通過減少脈沖展寬器增益的數(shù)值就解決了上述舵機(jī)不穩(wěn)定的問題，方法是用0.1F的陶瓷電容代替7管腳0.47F的電容。經(jīng)過這樣的參數(shù)改變后，當(dāng)改變舵機(jī)的控制脈沖時(shí)，電機(jī)速度就可以出現(xiàn)一個(gè)平滑的可變性。4、單片機(jī)對(duì)舵機(jī)的控制方式本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用單片機(jī)做為舵機(jī)的控制器，用單片機(jī)的IO口，作為舵機(jī)的信號(hào)輸入端，與舵機(jī)相連。在單片機(jī)控制舵機(jī)之前，要先確定相應(yīng)舵機(jī)的功率，然后選擇足夠功率的電源為舵機(jī)供電。當(dāng)控制端不需要很大

34、的電流時(shí)，可直接用單片機(jī)的5V電源和地線與舵機(jī)連接，控制信號(hào)線接單片機(jī)IO口的P3.0口。具體的連接方式如圖14：圖14 舵機(jī)和單片機(jī)連接圖單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)；首先產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，即產(chǎn)生20ms的周期信號(hào)。其次，調(diào)整脈寬，即單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，脈寬的變化全部由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)控制舵機(jī)是利用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器，本設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)5個(gè)角度轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，控制思路為；利用一個(gè)定時(shí)器T0，定時(shí)時(shí)間為0.5ms；定義一個(gè)角度標(biāo)識(shí)，數(shù)值為1，2，3，4，5以實(shí)現(xiàn)0.5，1，1.5，2，2.5ms的高電平輸出；再定義一個(gè)變量，數(shù)值最大為40，實(shí)現(xiàn)

35、周期為20ms。每次進(jìn)入定時(shí)中斷，判斷此時(shí)的角度標(biāo)識(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的操作。比如此時(shí)為5，則進(jìn)入前五次中斷，信號(hào)輸出為高電平，即為2.5ms的高電平，剩下的35次中斷期間，信號(hào)輸出低電平。角度標(biāo)識(shí)的加減，用單片機(jī)的矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)。C語言程序設(shè)計(jì)流程圖如圖15所示：圖15 C語言程序設(shè)計(jì)流程圖如果需要讓舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)多個(gè)角度，就需要定義多個(gè)角度標(biāo)識(shí)，修改定時(shí)時(shí)間并修改定時(shí)器高低位的初值。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制多個(gè)舵機(jī)工作時(shí)，所使用的舵機(jī)工作周期均為20ms，那么用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同，使用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)，一般來說，舵機(jī)的正脈沖寬度小于周期的1/8，這樣能夠在一個(gè)周期內(nèi)分時(shí)啟動(dòng)各

36、路PWM波的上升沿，再利用定時(shí)器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時(shí)器中斷T1控制20ms的基準(zhǔn)時(shí)間。第一次定時(shí)器中斷T0按20ms的1/8配置初值，并配置輸出I/O口，第一次T0定時(shí)中斷響應(yīng)后，將當(dāng)前輸出I/O口對(duì)應(yīng)的引腳輸出置高電平，配置該路輸出正脈沖寬度，并啟動(dòng)第二次定時(shí)中斷，輸出I/O口指向下一個(gè)輸出口。第二次定時(shí)器定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，將當(dāng)前輸出引腳置低電平，配置此中斷周期為20ms的1/8減去正脈沖時(shí)間，此路PWM信號(hào)在該周期中輸出完畢，往復(fù)輸出，在每次循環(huán)的第16次（28）中斷實(shí)行關(guān)定時(shí)中斷T0的操作，最后就可以實(shí)現(xiàn)八路舵機(jī)控制信號(hào)的輸出。本次設(shè)計(jì)只對(duì)單個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制，多舵機(jī)的控制

37、不涉及。具體的程序設(shè)計(jì)見附件。5、舵機(jī)電路及控制方式的改進(jìn)5.1單片機(jī)開環(huán)控制舵機(jī)存在的問題通過對(duì)舵機(jī)電路的檢測(cè)研究可知，舵機(jī)內(nèi)部電路中已經(jīng)包含兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)，以滿足控制轉(zhuǎn)角的精度。但對(duì)于由單片機(jī)控制的對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)來說，它只是一種開環(huán)控制，單片機(jī)給舵機(jī)控制信號(hào)，但舵機(jī)的輸出并沒有反饋到單片機(jī)，這種開環(huán)控制無法避免舵機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角與指令轉(zhuǎn)角之間的偏差。這種偏差會(huì)給機(jī)器人的工作精度帶來一定的影響。比如機(jī)械手焊接機(jī)器人，這樣的誤差，就會(huì)使產(chǎn)品的可靠性降低，對(duì)人形機(jī)器人來說，這種誤差可能導(dǎo)致機(jī)器人無法正常運(yùn)動(dòng)。5.2單片機(jī)控制舵機(jī)的閉環(huán)設(shè)計(jì)想要提高控制轉(zhuǎn)角的精度，就需要加入檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角位置

38、情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)舵機(jī)的輸入脈寬進(jìn)行調(diào)整，以保證舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度符合預(yù)定的要求。因此本次設(shè)計(jì)希望設(shè)計(jì)出一種舵機(jī)的閉環(huán)控制方式，用來實(shí)現(xiàn)其輸出轉(zhuǎn)角的精確控制。通過對(duì)舵機(jī)電路的研究可知，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角是由直流電機(jī)帶動(dòng)齒輪組使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)到旋轉(zhuǎn)角度的，也就是說直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)決定了舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角位置，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與舵機(jī)輸出軸存在特定的關(guān)系。那么就可以考慮一種直流電機(jī)的閉環(huán)控制方式，用傳感器檢測(cè)直流電機(jī)速度的實(shí)際值并將其反饋給單片機(jī)。通過實(shí)際值與設(shè)定值的比較，得到轉(zhuǎn)速誤差值，如果誤差為0，那么驅(qū)動(dòng)電壓恒定，如果存在誤差，那么通過單片機(jī)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓，直到實(shí)際值達(dá)到

39、設(shè)定值為止?？梢哉f一但電機(jī)速度到達(dá)了設(shè)定值，那么在各種不利因素的干擾下，也應(yīng)該保持這個(gè)速度值不變?？刂葡到y(tǒng)如圖16所示：圖16 直流電機(jī)速度反饋系統(tǒng)如果想用同樣的方法實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的閉環(huán)控制就存在一定的困難，因?yàn)樵诙鏅C(jī)電路中，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速并沒有直接作為舵機(jī)軸的輸出。而是由直流電機(jī)通過減速齒輪，帶動(dòng)舵機(jī)軸輸出，這就給舵機(jī)的閉環(huán)控制帶來了一定的難度。因?yàn)樽罱K的輸出是舵機(jī)軸，但舵機(jī)軸的速度檢測(cè)是很困難的，因?yàn)樗晦D(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)很小的角度后就立即停止。因此只能把檢測(cè)對(duì)象放在舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)上，把檢測(cè)裝置直接安裝在直流電機(jī)的輸出軸上，在檢測(cè)出舵機(jī)內(nèi)部電機(jī)速度的同時(shí)，還要把檢測(cè)到的速度通過齒輪組的減速比換算成舵

40、機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。把這個(gè)角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬信號(hào)返回給單片機(jī)，與輸入脈寬信號(hào)進(jìn)行比較。具體的控制系統(tǒng)如圖17所示：圖17 單片機(jī)控制舵機(jī)的閉環(huán)方案5.2.1傳感器測(cè)速裝置的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用軸編碼器測(cè)量直流電機(jī)輸出軸的速度，因?yàn)檩S編碼器可以產(chǎn)生直接對(duì)應(yīng)于軸轉(zhuǎn)速的脈沖序列。對(duì)應(yīng)于軸的每一個(gè)微小轉(zhuǎn)動(dòng)，軸編碼器都將改變其輸出的電壓（從低電平到高電平，或從高電平到低電平）。通過累計(jì)一秒內(nèi)產(chǎn)生脈沖的數(shù)目便可得知軸的轉(zhuǎn)速，編碼器還可以根據(jù)速度的檢測(cè)獲知機(jī)器人行進(jìn)的距離，本次設(shè)計(jì)只用來測(cè)速。本設(shè)計(jì)用反射式光學(xué)編碼器，因?yàn)槠浜苋菀字谱?。把一個(gè)黑白條紋相同的圓盤安裝在電機(jī)軸上即可，將紅外線發(fā)射二極管發(fā)射的光線照在

41、碼盤上，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)白色條紋將發(fā)出的紅外光反射到光電三極管使其導(dǎo)通，而黑色則將發(fā)出的紅外光吸收，使光電三極管截止，如此使光電三極管產(chǎn)生相應(yīng)的輸出脈沖序列。碼盤上的條紋越多，它旋轉(zhuǎn)時(shí)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖就越多。對(duì)速度反饋來說，高分辨率可以改善精度。適宜的分辨率對(duì)于實(shí)現(xiàn)電機(jī)反饋的快速響應(yīng)是很重要的，這是因?yàn)橐话愕碾姍C(jī)控制總是在固定的時(shí)間間隔內(nèi)采集碼盤的脈沖序列，電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖越多就越容易精確的確定電機(jī)轉(zhuǎn)速。在低速時(shí)，高分辨率的碼盤尤為重要。需要注意的是碼盤表面務(wù)必平整。由于光電開關(guān)對(duì)碼盤距離的遠(yuǎn)近很敏感，所以不平整的碼盤將使光電開關(guān)產(chǎn)生異常的輸出。反射式光電開關(guān)做為測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳感器，反射

42、式光電開關(guān)由上面提到的兩部分組成一個(gè)紅外線發(fā)射二極管，一個(gè)光電三極管。這種發(fā)射式光電開關(guān)有四個(gè)腳，其中一對(duì)引腳用于二極管的供電，另外一對(duì)分別與光電三極管的集電極和發(fā)射極相連。光電開關(guān)的外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖18：圖18 光電開關(guān)的外圍驅(qū)動(dòng)電路R1采用較低阻值電阻，這使得電路的輸出響應(yīng)效果較好，但是也使電路的功耗有所增加，光電三極管的外圍電路中，R3為10k到2M，采用較高阻值會(huì)獲得較高的靈敏度，具體的取值應(yīng)由所選的傳感器來決定。上述反射式光電開關(guān)的檢測(cè)輸出信號(hào)并不理想。隨著碼盤黑白條紋的切換，輸出電壓并非從0V快速的變化到5V（即從邏輯0到邏輯1），那么得到的脈沖就不容易識(shí)別。因此需要改善光電開

43、關(guān)的信號(hào)輸出，本設(shè)計(jì)用施密特觸發(fā)器來處理原始的輸出。施密特觸發(fā)器是一種雙閾值的特殊電壓比較器，當(dāng)輸入電壓超過上閾值時(shí)，觸發(fā)器輸出高電平，當(dāng)輸入電壓低于下閾值時(shí)，輸出低電平。當(dāng)輸入電壓處于上下閾值之間時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)不改變，這種觸發(fā)器有一定的抗干擾能力。 帶施密特觸發(fā)器的編碼器外圍電路如圖19所示：圖19帶施密特觸發(fā)器的編碼器外圍電路5.2.2速度計(jì)算速度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，需要試驗(yàn)此系統(tǒng)是否可以滿足直流電機(jī)的測(cè)速。由于工具限制，無法把這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)安裝在舵機(jī)殼內(nèi)，本次實(shí)驗(yàn)只對(duì)直流電機(jī)的開環(huán)速度進(jìn)行了檢測(cè)，此時(shí)的直流電機(jī)并沒有連接齒輪負(fù)載，當(dāng)然所測(cè)得轉(zhuǎn)速和帶齒輪負(fù)載的轉(zhuǎn)速存在差別，希望今后生產(chǎn)的舵

44、機(jī)可以滿足在舵機(jī)機(jī)殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的測(cè)速。因?yàn)檩S編碼器可以產(chǎn)生直接對(duì)應(yīng)于軸轉(zhuǎn)速的脈沖序列，實(shí)驗(yàn)中用示波器觀察其輸出的脈沖，通過對(duì)示波器顯示脈沖的觀察及計(jì)算，得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。給直流電機(jī)接入5V的電壓，并帶上測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1；表1 示波器顯示的軸編碼器輸出測(cè)量值次數(shù)正占空比（%）脈沖頻率(KHZ)163.61.47265.11.54363.51.03通過示波器的顯示結(jié)果，并不能直接得出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)數(shù)量，以及碼盤的分辨率可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是用示波器觀察出單位時(shí)間的脈沖數(shù)比較困難，所以不便采用上述方法。示波器脈沖間的頻率很好觀察，脈沖間頻率的倒

45、數(shù)是周期，也就是光電傳感器三極管從截止到導(dǎo)通的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間乘以分辨率就可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間的倒數(shù)就是直流電機(jī)的速度。公式如下： （式4）式中；為電機(jī)轉(zhuǎn)速為脈沖間頻率為分辨率那么所測(cè)得此直流電機(jī)無負(fù)載情況下轉(zhuǎn)速越為2740min。5.2.3舵機(jī)齒輪減速比的推導(dǎo)舵機(jī)中的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比與舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速，但是會(huì)比后者快很多倍。精確的比率有減速器的減速比決定。舵機(jī)電路中采用的是齒輪減速方式，這也是一種功率傳遞的方式，通過齒輪來傳遞功率除了降低轉(zhuǎn)速外還可以帶來很多好處。相應(yīng)的提高輸出轉(zhuǎn)矩，改變輸出的方向，可以將轉(zhuǎn)動(dòng)改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，可以改變轉(zhuǎn)軸朝向等。在本設(shè)計(jì)中只關(guān)心齒輪減速的好

46、處，其原理是：如果有兩個(gè)齒輪A和B，A為小齒輪有16個(gè)齒，B為大齒輪有32個(gè)齒，這對(duì)齒輪的傳動(dòng)比就為2，也就是大齒輪的齒數(shù)除以小齒輪齒數(shù)所得的比值。傳動(dòng)比為2意味著小齒輪每轉(zhuǎn)過一定的角度，大齒輪只轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度的一半。如果把電機(jī)軸與小齒輪連接，舵機(jī)的輸出軸與大齒輪連接，那么輸出轉(zhuǎn)速最終降低一半。如果知道小齒輪的轉(zhuǎn)速，就會(huì)知道大齒輪的轉(zhuǎn)速。公式為： （式5）式中； 為大齒輪轉(zhuǎn)速為小齒輪轉(zhuǎn)速為減速器的效率（0e1） 為齒輪的齒數(shù)比傳動(dòng)比的倒數(shù)稱為減速比，減速比越大意味著減速作用越明顯。不過值得注意的是舵機(jī)中并不是單純的采用小齒輪帶動(dòng)大齒輪的方式，因?yàn)檫@樣得到的減速比還不能到達(dá)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的減速要求，

47、所采用的方式是在大齒輪的軸上再增加一個(gè)小齒輪并用這個(gè)小齒輪再去驅(qū)動(dòng)一個(gè)大齒輪的多級(jí)減速方式，則整個(gè)傳動(dòng)裝置的減速比就會(huì)大幅度增大以滿足舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的要求。舵機(jī)內(nèi)有幾個(gè)組合齒輪一起組成減速器，不過也可以用上述的公式推測(cè)最后的減速比。因此在本次設(shè)計(jì)中需要拆開舵機(jī)的外殼，觀察內(nèi)部減速齒輪組的齒數(shù)，通過上述公式，計(jì)算出舵機(jī)的減速比。通過觀察本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所用的舵機(jī)可知，舵機(jī)電路中有三組組合齒輪，且每組齒輪都是大小齒輪的組合，具體齒輪的具體齒數(shù)如圖19：圖19 futaba s3003舵機(jī)電路內(nèi)的減速齒輪組通過計(jì)算得知futaba s3003的舵機(jī)減速比為184.8。公式為： （式6）也就是說直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

48、184.8轉(zhuǎn)，舵機(jī)的輸出軸才相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)。5.2.4舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角的反饋方式上面已經(jīng)討論過，每一個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)一個(gè)舵機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)角。如圖5所示，其輸入脈寬與舵機(jī)軸的輸出管腳成線性關(guān)系。正因?yàn)槿绱?，才可以采用上述閉環(huán)設(shè)計(jì)的方式。但如果把脈沖變化很微小的話，是否也可以滿足上述的線性關(guān)系，就需要通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，通過改變單片機(jī)的脈沖，觀察舵機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下；0.5ms0° 0.6ms9° 0.7ms18° 0.8ms27° 0.9ms36° 1.0ms45°通過實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)輸入脈沖和舵機(jī)輸出軸的角度成線性關(guān)系。通過傳感器的測(cè)速結(jié)果和齒輪組的減速比，就可以算出舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角。其關(guān)系為；電機(jī)單位時(shí)間轉(zhuǎn)數(shù)除以減速比，再乘以360°得到舵機(jī)軸的輸