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力的输出，齿轮组的变速比越大，伺服马达的输出扭力也越大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。其原理如图2.12所示。

PWM控制电路伺服马达齿轮组电位器反馈电压图2.12 舵机原理图

舵机工作原理：控制电路接受来自信号线的控制信号(具体信号待会再讲)，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号给控制电路，进行反馈，然后控制电路根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。

2.7.2舵机的控制

舵机的输入线共有三条，电源、地及控制。红色在中间是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供的电源保证，主要是电机的转动消耗。电源电压通常介于4V-6V之间。舵机的控制信号为周期20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0°-180°，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过+90°。表2.2列出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系。

正常状态下舵机的工作电压范围是4.8V-6V，而我们使用的电池是7.4V的，实际上我们发现可以把电池直接接到舵机的电源接口上，即让舵机工作在7.4V的电压下，这样的话可以加快舵机的响应时间，而舵机的响应时间对于小车的控制是至关重要的。但在此工作方式下发现，电源的电压下降对舵机的正常工作的影响比较大，但电池的电压下降的比较厉害之后，舵机就

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不能正常工作了，出现的现象是舵机转向不足。这种情况在调试过程中曾经多次出现，每次更换新电池后小车就能正常工作了。通常给舵机的调制信号是50Hz的，即周期为20ms，实际上为了加快舵机的响应时间，我们可以把舵机调制信号的频率提高到100Hz，即周期为10ms。查阅舵机的资料我们知道，当给的调制信号的高电平时间是1.5ms时，舵机输出0°。特别要注意的是，在程序中把舵机的频率提高以后，舵机的输出角度仅与高电平的表2.2舵机转角控制

输入正脉冲宽度(周期为20ms)

0.5ms

1.0ms

1.5ms

2.0ms

2.5ms

90° 45° 0° －45°

伺服马达输出臂位置

－90°

持续时间有关，而与占空比无关。即当采用100Hz，的调制信号时，只要把此时的高电平持续时间响应的设定为1.5ms，则舵机就可以正确的输出0°。

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2.8本章小结

本章制定了智能车开发的总体方案，并分别设计了电源模块、传感器模块、舵机和直流电机驱动以及其他零部件和模型车平台。主要包括以下内容：

(1)STM32系统板、光电传感器电路、车速测量电路采用LM2576提供3.3V电压，舵机电源采用LM2576提供6V电压，减速电机驱动模块直接电池与连接获得7.4V电压；

(2)采用单排共7个红外传感器等间距排列的方式进行循迹和检测模型车相对于引导线的偏移量；

(3)经过精确测量和计算，最终确定了各硬件的结构尺寸，确定了可使用的寻线传感器和测速传感器及其附属的电路板卡和相关的连接部件。

至此，智能车的硬件平台完全搭建完毕。

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第三章 PID控制算法的软件设计与实现

3.1 PID控制原理与程序

PID控制器分为模拟PID控制器与数字PID控制器，而数字PID控制器又分为位置式与增量式；PID(比例、积分、微分)控制器是建立在经典的控制理论基础上的一种控制策略。PID控制器作为最早实用化的控制器，已经有70多年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便、不需要精确的系统模型等先决条而成为应用最广泛的控制器[22]。

3.1.1 模拟PID调节器

模拟PID控制系统原理框图如图3.1所示。

PID控制器比例调节器r(t)+-微分调节器

图3.1模拟PID控制系统原理框图

e(t)代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到PID控制器，控制器对误差信号e(t)分别进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算，其结果的加权和构成系统的控制信号u(t)。

PID控制器的数学模型为

e(t)积分调节器+u(t)+被控制对象+y(t) 24