motor）又名伺服电机，主要是由外殼、电路板、马达、减速齿轮和电位器构成舵机主要适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，比如人形机器人的手臂和腿车模和航模的方向控制。目前市面上的成熟的舵机工业产品都来自日本、韩国和我国台湾地区。本文基于舵机工作的基本原理选用Atmega8L單片机作为舵机电路板控制芯片，对舵机控制进行了一系列实验并取得了很好的实验效果。

　　控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得電压差输出最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的pwm控制正反转的原理当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转使得电压差为0，电机停止转动

　　基于AVR单片机的舵机驱动电路原理图

　　1、舵机驱动电路板接受上位机PWM信号对电机控制

　　舵机嘚转角范围通常是0到180度，舵机的转角通常由脉宽来控制一般舵机都会有三根输入线（电源正，地信号线）， PWM信号由信号线输入上位機产生周期为20ms左右的方波作为输入信号，方波的占空比决定舵机转的角度如图1所示：

　　根据以上原理，设计出以下实验电路（图2） 通过A tmega8L单片机和电机专用驱动芯片L298N的连接实现了舵机工作的基本原理。

　　AVR单片机是Atmel公司8位RISC结构的单片机具有系统内可编程存储器Flash电擦写鈳编程存储器EEPROM 随机访问存储器RAM 模数A/D转换器、大量I/0口、 16/8位定时器、 RS-232通讯接口UART，两线串行接口TWI以及其他很多功能的单片集成电路本文采用的昰AVR系列常用型号的产品ATMega8L系统时钟频率使用外部晶振7.3728Mhz，工作电压5V

　　L298是双H型桥高电压大电流集成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电動机和步进电动机等原理图如图3所示，Vss接逻辑控制的电源Vs为电机驱动电源。 IN1-IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号ENAENB引脚则为使能控制端。本來是通过IN1--IN4输入用来控制H型桥的开与关即实现电机的pwm控制正反转的原理ENA、ENB使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速本文使用了L298N的一组H型橋，ENA使能控制端一直导通输入IN1，IN2PWM信号来控制电机速度和转向

　　上位机发出的PWM信号通过Atmega8L的一个I/0口读入，为了读取PWM信号的高电平时间采用计数方式，使用Atmega8L的T0计数T0是一个8位定时器，定时器分频为8分频TCCR0=0x02。若读入PD0的PWM信号是高电平T0开始计时，T0的计数值TCNTO从0计数到255产生计数溢出中断，在中断服务程序里设置一个累加器COUNT每次进入中断服务程序COUNT加1。当PD0口读入的PWM信号是低电平时T

　　在实验过程中，为了避免第┅次计时未能从PWM信号的高电平始端计时忽略PWM信号第一次高电平的时间，从PD0口读到的第二个高电平开始计时

　　读电位器电压，通过A/D转換读取当前电位器的电压值（ ADC） Atmega8L提供最高分辨率为10位的A/D转换精度，即转换后的电压值从0到1023基于这一考虑PDO读入的PWM信号转换为电压值target=（INPUTPWM-1）*1023，采用这一设计有利于减少P WM信号转换为相应电压值的复杂过程。

　　用Atmega8L的Tl定时器产生两路16位pwm信号其占空比决定控制电机的转速，占空仳越大电流持续时间越长，舵机转动越快反之则越慢。为了与A/D转换的最大值1023相匹配减少计算复杂度，T1定时器采用8号相位与频率修正PWM模式让计数最大值ICR1=1023，其比较值0CR1=（ ADC-target）为了控制电机的转向，若（ADC- -　　target）随着电机的转动，采集的电位器的电压值不断与目标值接近OCR1嘚值变小，占空比也变小舵机转速也持续变慢，理论上当ADC与target相等， 占空比为0电机到达目标位置，停止转动电机的控制流程图如图4所示。

　　理论上当电机达到目标位置时电机将停止转动，此时没有电流流过电机但是舵机是一个需要保持角度的系统，并且保持力樾大越好即舵机的扭矩（torque）越大越好。具体而言当电机到达目标位置时，电机停止转动但是此时只要稍微有外力转动电机，电机将鋶过一个与外力相逆的电流来保持角度这电流就是堵转电流。因此一方面要求电机到达目标位置电流越来越小，这样容易停止另一方面要求在偏离目标位置的微小区域电机又要有很大的堵转电流，使用PID（ProportionalIntegralDifferential）调节就可以很好的解决这一矛盾

　　PID可以很好地控制电机很赽地到达目标位置而不产生抖动。对于舵机而言上面提到的定时器T1的比较值0CR1就简单的给定为当前的电机位置和目标位置的差值，引入PID控淛后这一项乘以一个系数kp，作为OCR1的比例项;上一周期的电机位置和这一周期的电机位置的差值乘以系数kd作为OCR1的微分项，这一项的作用主偠是如果电机两次位置的差值很大的话可以加快电机的转速;每一周期电机位置和目标位置的差值的平均值乘以系数ki作为OCR1的积分项，这一項的作用是使电机阻尼来减少电机抖动把这三项加起来作为OCRl的值，作为T1定时器的比较值公式如下：

　　其中，ADC为采集到的当前电位器嘚值target为目标位置转换后的电压值，沩周期次数adcvalpre为上一周期的电压值，kpki，kd为选定的参数选择合适的参数可以保证电机又快又稳的到達月标位置。

　　4、舵机驱动板以TWI方式与上位机通讯对舵机的控制

　　TWI（Two-wireSerialInterface）作为Atmega8L的一个通讯接口提供最快400khz的数据传输率。IWI协议允许系统設计者只用两根双向传输线就可以将128个不同的设备互连到一起这两根线一是时钟SCL，-是数据SDA使用TWI方式通讯主要是可以精确的传输舵机要箌达的指定位置以及方便地调节kp，kikd系数。本文采用两片Atmega8L单片机进行TWI通讯PC机端采用RS-232与其中一片单片机通讯，模型如图5所示：

　　PC机端是┅个用VC6写的串口通讯程序和单片机a通讯单片机a主要是处理RS--232传输的数据并重新装包以TWI方式发送给舵机控制电路板。这样在实验过程中可以佷方便的通过PC机端的串口通讯程序发送目标位置kp，kikd等参数，容易调试

　　本文选用FutabaS3003舵机的机械部件，用图4的舵机控制电路很好的控制电机到达目标位置，而且产生了较大的扭矩作为一个实验产品，达到了预期的效果下一步寻求更好的调节算法，更稳定地控制电機产生更大的扭矩。

电机是重要的执行机构可以将電转转化为机械能，从而驱动被控设备的转动或者移动在我们的生活中应用非常广泛。例如应用在电动工具、电动平衡车、电动园林笁具、儿童玩具中。直流电机的实物图如下图所示

对于普通的直流电机，在其两个电极上接上合适的直流电源后电机就可以满速转动，电源反接后电机就反向转动。但是在实际应用中我们需要电机工作在不同的转速下，该如何操作呢

1 直流电机的调速原理

我们可以莋这样的实验，以24V直流电机为例在电机两端接上24V的直流电源，电机会以满速转动如果将24V电压降至2/3即16V，那么电机就会以满速的2/3转速运转由此可知，想要调节电机的转速只需要控制电机两端的电压即可。

以三极管作为驱动器件驱动小功率的电机其电路原理图如下图所礻。电机作为负载接在三极管的集电极上基极由单片机控制。

2-直流电机调速原理图

当单片机输出高电平时三极管导通，使得电机得电从而满速运行；当单片机输出低电平时，三极管截止电机两端没有电压，电机停止转动那如何使电机两端的电压发生变化，进而控淛电机的转速呢

只要单片机输出占空比可调的方波，即PWM信号即可控制电机两端的电压发生变化从而实现电机转速的控制。

2 PWM信号调速的原理

所谓PWM就是脉冲宽度调制技术，其具有两个很重要的参数：频率和占空比频率，就是周期的倒数；占空比就是高电平在一个周期內所占的比例。PWM方波的示意图如下图所示

在上图中，频率F的值为1/(T1+T2)占空比D的值为T1/(T1+T2)。通过改变单位时间内脉冲的个数可以实现调频；通过妀变占空比可以实现调压占空比越大，所得到的平均电压也就越大幅值也就越大；占空比越小，所得到的平均电压也就越小幅值也僦越小。动图演示如图4所示

通过以上原理就可以知道，只要改变PWM信号的占空比就可以改变直流电机两端的平均电压，从而实现直流电機的调速

前文说过，改变电机两端的电源极性可以改变电机的转速那么电路如何实现电机的pwm控制正反转的原理调速呢？这需要通过H桥電路来实现H桥的电路原理如下图所示。

H桥电路由四个功率电子开关构成可以是晶体管也可以是MOS管。电子开关两两构成桥臂在同一时刻只要对角的两个电子开关导通，另外两个截止且每个桥臂的上下管不能同时导通。通过这个电路就可以实现电机的pwm控制正反转的原理調速

3 PWM如何实现电机的正转调速

要实现电机的正转只需要做如下设置即可：

A控制端：高电平，控制三极管Q4导通；

B控制端：高电平控制三極管Q3截止；

C控制端：低电平，控制三极管Q1导通；

D控制端：低电平控制三极管Q2截止；

通过以上操作，即实现三极管Q2和Q3截止三极管Q1和Q4导通，电流的流向如下：

VCC→Q1→电机→Q4→GND实现了电机的正转。

6-H桥驱动电机正转调速电路

在这种情况下要实现电机转速的调节只需要给Q4的基极加载PWM信号即可。

4 PWM如何实现电机的反转调速

要实现电机的反转只需要做如下设置即可：

A控制端：低电平控制三极管Q4截止；

B控制端：低电平，控制三极管Q3导通；

C控制端：高电平控制三极管Q1截止；

D控制端：高电平，控制三极管Q2导通；

通过以上操作即实现三极管Q1和Q4截止，三极管Q2和Q3导通电流的流向如下：

VCC→Q3→电机→Q2→GND，实现了电机的反转

7-H桥驱动电机反转调速电路

在这种情况下要实现电机转速的调节，只需要給Q2的基极加载PWM信号即可

5 电机专用驱动IC和分离元器件电路的对比

目前有很多电机专用驱动IC，体积小、控制简单比用分离元器件所搭建的電路占有更大的优势。

专用IC优势之一：死区控制更容易

使用分离元器件时必须要严格控制死区时间，也就是绝对不能让每个桥臂上的电孓开关同时导通这样容易导致电源短路，电流过大把两个电子开关烧坏而专用的驱动IC都有死区控制，比分离元器件电路更安全

专用IC優势之二：器件体积更小

分离元器件所搭建的驱动电路，所使用的元器件数目较多体积较大。而专用驱动IC只需要一颗芯片即可大大减尛了体积、节省了PCB空间，使电路调试更容易

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