王世偉 楊 越 高 城 江匯洋

(淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 安徽淮南 232038)

舵機(jī)以其調(diào)試方便、控制簡(jiǎn)單和精度高的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到了小型機(jī)器人位姿調(diào)試和航模飛行姿態(tài)調(diào)試之中[1]。為了實(shí)現(xiàn)精確的姿態(tài)控制，就必須提高舵機(jī)角度控制的精度，基于此，學(xué)者們研究出了多種性能優(yōu)異的控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)制作出了不同的舵機(jī)調(diào)試器[2-7]。但是，現(xiàn)有舵機(jī)工作電壓一般為5V～8.4V，而且舵機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)也不相同，因此為實(shí)現(xiàn)不同類型舵機(jī)的快速調(diào)試，需設(shè)計(jì)一種新型的舵機(jī)調(diào)試器。文章以STM32單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種高精度舵機(jī)調(diào)試器，實(shí)現(xiàn)了不同類型舵機(jī)的同時(shí)調(diào)試。

1舵機(jī)控制原理

舵機(jī)是一種角位置伺服電機(jī)，一般通過脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)進(jìn)行控制，由電機(jī)、減速器、電位器和控制電路四部分組成，通過輸出端的電位器檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)精確地角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制[8-9]。圖1為舵機(jī)的控制原理框圖，由調(diào)試器所產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過舵機(jī)的控制信號(hào)線傳送至控制電路后，舵機(jī)輸出軸會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)至對(duì)應(yīng)角度，該角度與PWM信號(hào)的脈寬成正比。

圖1 舵機(jī)控制原理圖

以180°舵機(jī)為例，轉(zhuǎn)角從-90°～+90°之間變化，則相應(yīng)控制脈寬為0.5ms～2.5ms，控制脈寬為1.5ms時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)角為0°。

2調(diào)試器硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)舵機(jī)角度的同時(shí)調(diào)試，文章以STM32單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)舵機(jī)調(diào)試器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，以調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)，以按鍵電路實(shí)現(xiàn)舵機(jī)通道選擇和功能確認(rèn)。

圖2 舵機(jī)調(diào)試器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1主控電路設(shè)計(jì)

舵機(jī)調(diào)試器采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)生產(chǎn)32位單片機(jī)STM32F103RBT6微調(diào)試器作為控制芯片。

該單片機(jī)內(nèi)核為ARM公司的高性能Cortex-M3，數(shù)據(jù)的運(yùn)算能力為1.25DMips/MHz，同時(shí)配備有1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度，而且功耗非常低?；诖?，文章設(shè)計(jì)了如圖3所示的主控電路，并且為了提高定時(shí)器精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)角度的高精度控制，外接了8M晶振。

圖3 STM32主控部分電路

2.2電源電路

舵機(jī)調(diào)試器電源電路部分如圖4所示，采用外部供電方式，STM32F103RBT6型單片機(jī)的供電電壓為2.0V～3.6V，因此選用高性能線性穩(wěn)壓器AMS1117。舵機(jī)供電電路采用簡(jiǎn)單高效的降壓調(diào)節(jié)器LM2576TV-ADJ，實(shí)現(xiàn)對(duì)串口舵機(jī)的電壓調(diào)節(jié)。

圖4 電源電路

2.3去耦電路

為了降低元件耦合到電源端的噪聲，間接減少其他元件受此元件噪聲的影響，在穩(wěn)壓器AMS1117端設(shè)計(jì)了如圖5所示的去耦電路，使用電容保證穩(wěn)定的供電電壓。

圖5 去耦電路

2.4其他電路設(shè)計(jì)

顯示電路采用節(jié)能型OLED顯示器，與LCD相比，OLED具有不需要背光，而且能夠主動(dòng)發(fā)光，在很大視角范圍內(nèi)畫面是不會(huì)顯示失真的優(yōu)點(diǎn)，其上下左右四個(gè)視角寬度超過170°。

舵機(jī)以串行形式接入到舵機(jī)調(diào)試器中，如圖6(a)所示為舵機(jī)引腳外接排針電路。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，避免出現(xiàn)故障無法消除，設(shè)計(jì)了如圖6(b)復(fù)位電路。

圖6 舵機(jī)串口電路

3舵機(jī)調(diào)試器軟件設(shè)計(jì)

舵機(jī)調(diào)試器軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程，在Keil5集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯，主要包括初始化參數(shù)設(shè)定、通道選擇、OLED顯示和電壓調(diào)節(jié)等功能實(shí)現(xiàn)，調(diào)試器控制流程如圖7所示。

圖7 舵機(jī)調(diào)試器主程序流程圖

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)舵機(jī)調(diào)試器的功能，研制了如圖8(a)所示的舵機(jī)調(diào)試器樣機(jī)，并搭建了如圖8(b)所示的串口輸出波形檢測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和如圖8(c)所示的不同類型舵機(jī)實(shí)際角度精確控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

4.1正角度控制實(shí)驗(yàn)

通過舵機(jī)調(diào)試器控制，4個(gè)舵機(jī)角度依次為0°、30°、60°和90°，控制效果如圖9(a)所示，各角度所對(duì)應(yīng)的示波器檢測(cè)波形如圖9(b)所示。

圖9 正角度值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.2負(fù)角度控制實(shí)驗(yàn)

通過舵機(jī)調(diào)試器控制，4個(gè)舵機(jī)角度依次為0°、-30°、-60°和-90°，控制效果如圖10(a)所示，各角度所對(duì)應(yīng)的示波器檢測(cè)波形如圖10(b)所示。

圖10 負(fù)角度值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由圖9和圖10所示的正負(fù)角度控制效果可以看出，文章所設(shè)計(jì)的舵機(jī)調(diào)試器能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)舵機(jī)的精確角度控制。

5結(jié)論

文章針對(duì)不同型號(hào)舵機(jī)的精確控制問題，設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的舵機(jī)調(diào)試器的軟件和硬件，并制作了調(diào)試器樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的舵機(jī)調(diào)試器能夠?qū)崿F(xiàn)不同型號(hào)舵機(jī)的精確角度控制，解決了實(shí)際應(yīng)用中的舵機(jī)控制問題。