MG996R 舵机控制方法 红：+5v，棕：GND，黄：信号 基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点， 并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可 以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单 片机系统非常容易与之接口。 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持 的控制系统。其工作原理是：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，获得电压差输出。最后， 电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。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。 图 1 舵机的控制要求 舵机的控制信号是 PWM 信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机 的控制要求如图 1 所示。 单片机实现舵机转角控制 可以使用 FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但 FPGA 成本 高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号 获取有源滤波后的直流电压，但是需要 50Hz(周期是 20ms)的信号，这对运放器 件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV 以上的控制电压 

的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号 噪声都远大于 5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。 也可以用单片机作为舵机的控制单元，使 PWM 信号的脉冲宽度实现微秒级 的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为 PWM 信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全 依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是 产生基本的 PWM 周期信号，本设计是产生 20ms 的周期信号；其次是脉宽的调整， 即单片机模拟 PWM 信号的输出，并且调整占空比。 当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一 个定时器中断的初值，将 20ms 分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定 时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制 精度都很高。 具体的设计过程：例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为 2ms， 则负脉冲为 20ms-2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后设置定时器 在 2ms 后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断 时间改为 18ms，再过 18ms 进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将 定时器初值改为 2ms，等待下次中断到来，如此往复实现 PWM 信号输出到舵机。 用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺 服机灵活运动。 为保证软件在定时中断里采集其他信号，并且使发生 PWM 信号的程序不影 响中断程序的运行(如果这些程序所占用时间过长，有可能会发生中断程序还未 结束，下次中断又到来的后果)，所以需要将采集信号的函数放在长定时中断过 程中执行，也就是说每经过两次中断执行一次这些程序，执行的周期还是 20ms。 软件流程如图 2 所示。 

如图 2 产生PWM信号的软件流程 如果系统中需要控制几个舵机的准确转动，可以用单片机和计数器进行脉 冲计数产生 PWM 信号。 脉冲计数可以利用 51 单片机的内部计数器来实现，但是从软件系统的稳定 性和程序结构的合理性看，宜使用外部的计数器，还可以提高 CPU 的工作效率。 实验后从精度上考虑，对于 FUTABA 系列的接收机，当采用 1MHz 的外部晶振时， 其控制电压幅值的变化为 0.6mV，而且不会出现误差积累，可以满足控制舵机的 要求。最后考虑数字系统的离散误差，经估算误差的范围在±0.3%内，所以采用 单片机和 8253、8254 这样的计数器芯片的 PWM 信号产生电路是可靠的。图 3 是 硬件连接图。 

图 3 PWA信号的计数和输出电路 基于 8253 产生 PWM 信号的程序主要包括三方面内容：一是定义 8253 寄存 器的地址，二是控制字的写入，三是数据的写入。软件流程如图 4 所示，具体代 码如下。 //关键程序及注释： //定时器 T0 中断，向 8253 发送控制字和数据 void T0Int() interrupt 1 { TH0 = 0xB1; TL0 = 0xE0; //20ms 的时钟基准 //先写入控制字，再写入计数值 SERVO0 = 0x30; //选择计数器 0，写入控制字 PWM0 = BUF0L; //先写低，后写高 PWM0 = BUF0H; SERVO1 = 0x70; //选择计数器 1，写入控制字 PWM1 = BUF1L; PWM1 = BUF1H; SERVO2 = 0xB0; //选择计数器 2，写入控制字 PWM2 = BUF2L; PWM2 = BUF2H; } 

图 4 基于8253产生PWA信号的软件流程 当系统的主要工作任务就是控制多舵机的工作，并且使用的舵机工作周期 均为 20ms 时，要求硬件产生的多路 PWM 波的周期也相同。使用 51 单片机的内部 定时器产生脉冲计数，一般工作正脉冲宽度小于周期的 1/8，这样可以在 1 个周 期内分时启动各路 PWM 波的上升沿，再利用定时器中断 T0 确定各路 PWM 波的输 出宽度，定时器中断 T1 控制 20ms 的基准时间。 第 1 次定时器中断 T0 按 20ms 的 1/8 设置初值，并设置输出 I/O 口，第 1 次 T0 定时中断响应后，将当前输出 I/O 口对应的引脚输出置高电平，设置该 路输出正脉冲宽度，并启动第 2 次定时器中断，输出 I/O 口指向下一个输出口。 第 2 次定时器定时时间结束后，将当前输出引脚置低电平，设置此中断周期为 20ms 的 1/8 减去正脉冲的时间，此路 PWM 信号在该周期中输出完毕，往复输出。 在每次循环的第 16 次(2×8=16)中断实行关定时中断 T0 的操作，最后就可以实 现 8 路舵机控制信号的输出。 也可以采用外部计数器进行多路舵机的控制，但是因为常见的 8253、8254 芯片都只有 3 个计数器，所以当系统需要产生多路 PWM 信号时，使用上述方法可 以减少电路，降低成本，也可以达到较高的精度。调试时注意到由于程序中脉冲 宽度的调整是靠调整定时器的初值，中断程序也被分成了 8 个状态周期，并且需 要严格的周期循环，而且运行其他中断程序代码的时间需要严格把握。 在实际应用中，采用 51 单片机简单方便地实现了舵机控制需要的 PWM 信号。 对机器人舵机控制的测试表明，舵机控制系统工作稳定，PWM 占空比 (0.5～ 2.5ms 的正脉冲宽度)和舵机的转角(-90°～90°)线性度较好。