北京联合大学 毕业设计

以上的波形图只是一个近似情况，在电机转动时对管脚波形的抓拍，电机转到指定角度后会停止，停止后不会再有波形的变化。2、6管脚都恒定为固定的电压值2.12V和-2.16V。

以上的波形图并没有标注波形周期或正负脉冲宽度，因为它不是周期波形，在电机转动中它会变化，随着电机将要停转时，2、6管脚也就会变成稳定电压值。可以观察出在输入0.5ms脉宽时，管脚波形已经是两个平稳的电压，因为此时的舵机并没有转动而是停在-90°。当1ms的脉宽到来时，舵机才开始转动。还有一点需要注意，在2.5ms时，波形跟前几种脉冲有很大的区别，原因是在这时候舵机已经停在了舵盘上90°的位置，舵盘不能再继续转动了，但电机还再转动，这就形成了舵机的堵转。这并不影响舵机在机器人中的应用。一般高精度的舵机，就会避免这一现象，转到90°时舵机也会停止。如果电机在此时不停的转动，那就会大大的消耗电源功率。 3.1.3直流电机参数测量

为了对舵机电路中的速度反馈环节进行研究，需要检测直流电机的内阻和额定电路。

检测电机内阻方法是拆下舵机中的电机，给电机串联一个电阻，电阻阻值要选的适当（应满足电机要转但无法转时）因为此时没有电势存在。试验中选择200欧姆的电阻，并给电路加5V稳压源。

如图12所示：

图12 检测方法示意图

用万用表测试200欧姆上的电压为4.79V，Ra上的压降就为0.21V，计算出电机内阻为8.77Ω，测量电机内阻只为了知道其是否小到可以忽略，这种方法的测量所得到的也只是近似值。

电机的额定电流的检测很困难，因为流过电机的电流总是在变化。实验中采用间接测量舵机电路总电流的方式，如果总电流很小，那么流过电机的电流就会更小。

检测舵机电路总电流的方法同检测电机内阻的方法一样，在舵机总电路中串联电阻，这个电阻一定要很小，否则舵机不会运行，选4.2欧姆。

-17-

北京联合大学 毕业设计

如图13所示：

图13 检测方法示意图

用万用表检测到4.2Ω电阻上的压降为0.5V，算得舵机总电路流过的电流为0.12A。因此可知流过舵机内部直流电机的最大值为0.12A，但流过舵机内直流电机的电流，应该会比电路总电流小很多，此时可以近似忽略。

3.2根据实验结果进行舵机电路工作原理分析

通过对舵机内部电路的检查结果进行分析，可以基本了解舵机电路的工作原理。控制器的脉冲信号从12管脚进入信号调制芯片，与芯片内部的线性脉冲产生器产生的三角波通过脉宽比较器进行比较。比较出脉宽误差信号和方向误差信号，两种误差信号进入芯片的脉冲展宽器进行信号放大。得到直流的偏置电压，从2、3管脚输出，通过滤波电容滤波后进入电机驱动芯片的3、5脚，驱动芯片为H桥驱动电路，2、6脚连接直流电机。

信号调制芯片得到脉冲后，电机就开始旋转，电机旋转通过齿轮组带动电位器旋转。信号调制芯片的8管脚接电位器的一端，检测结果为固定电压2.14V。通过检测驱动芯片2、6管脚的电压的结果得知，电机停转后两个管脚的电压为2.12V和2.16V，和电位器的电压近似相等，因此得知当驱动芯片2、6管脚的电压与电位器电压相等时，电机就停转。下一个脉冲信号到来时电机继续转动，直到2、6管脚的电压和电位器电压相等后，电机再次停转。舵机就是用这样的方法让舵盘转动到目标角度的，这就是舵机电路中用电位器实现的位置反馈。

电机转动以后会产生感应电动势。根据电磁感应定律，无论作为电动机还是作为发电机运行，电枢都会产生感应电动势，电动机的感应电动势一般称为反电动势。电动机的感应电动势会与转速成比例变化即：

E?Ce?n （式1）

-18-

北京联合大学 毕业设计

通过对舵机电路框图的观察可知，futaba s3003模拟舵机电路中，速度反馈环取自电机的端电压，依据的原理公式：

Ud?E?IdR

（式2）

可知，当忽略IdR时可有：

Ud?E?Ce?n （式3）

即认为此时电压近似等于电势，也就是说电压反馈近似速度反馈。如此方法构成了舵机电路中的速度反馈环。通过对电机参数的检测可知IdR最大值为1，通过对电路框图的分析，Ud最大值为5，如果全部按最大值计算，那么此时的速度反馈存在20%的误差精度。

两个反馈环节的反馈信号叠加后通过10管脚进入信号调制芯片，再次比较脉宽误差信号和方向误差信号，通过展宽送给驱动芯片。这里需要指出，Futaba之外的其它厂家使用的不是BA6688这款IC， 一般选择M51660、AA5188、 YT5166，这些芯片一般没有速度反馈环，只有一个电位器的位置反馈环，可见两者反馈的叠加可以更好的保证最高速度稳定。

对电路的研究可知，此舵机电路存在一定的缺点，由于输入电压范围较窄，不能准确的控制速度。

在本次实验中，尝试了修改电路参数的方法，提高舵机的速度控制。最后得出结论，可以通过增大速度控制环的增益改变舵机的速度，方法就是把舵机电路中速度控制环的增益电阻减小，用320KΩ的电阻，代替速度控制环的910K电阻。但这样做的同时增加了整个伺服环的增益，结果导致了舵机的不稳定，运行时舵机的输出轴不能到达指定的位置。通过减少脉冲展宽器增益的数值就解决了上述舵机不稳定的问题，方法是用0.1μF的陶瓷电容代替7管脚0.47μF的电容。

经过这样的参数改变后，当改变舵机的控制脉冲时，电机速度就可以出现一个平滑的可变性。

-19-

北京联合大学 毕业设计

4、单片机对舵机的控制方式

本次毕业设计采用单片机做为舵机的控制器，用单片机的I\\O口，作为舵机的信号输入端，与舵机相连。

在单片机控制舵机之前，要先确定相应舵机的功率，然后选择足够功率的电源为舵机供电。当控制端不需要很大的电流时，可直接用单片机的5V电源和地线与舵机连接，控制信号线接单片机I\\O口的P3.0口。具体的连接方式如图14：

图14 舵机和单片机连接图

单片机实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务；首先产生基本的PWM周期信号，即产生20ms的周期信号。其次，调整脉宽，即单片机调节PWM信号的占空比，脉宽的变化全部由单片机编程实现。

单片机控制舵机是利用单片机的内部定时器，本设计用单片机控制舵机实现5个角度转动输出，控制思路为；利用一个定时器T0，定时时间为0.5ms；定义一个角度标识，数值为1，2，3，4，5以实现0.5，1，1.5，2，2.5ms的高电平输出；再定义一个变量，数值最大为40，实现周期为20ms。每次进入定时中断，判断此时的角度标识，进行相应的操作。比如此时为5，则进入前五次中断，信号输出为高电平，即为2.5ms的高电平，剩下的35次中断期间，信号输出低电平。角度标识的加减，用单片机的矩阵键盘实现。

-20-