單片機對步進電機和舵機的簡單控制

1、單片機對舵機和步進電機的簡單控制 摘 要:舵機和步進電機同樣是將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)力矩的電動設(shè)備,但它們都需要電信號進 行操控。 舵機將電信號轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)角度而步進電機將電信號轉(zhuǎn)換為固定的旋轉(zhuǎn)角速度。 它們 在船舶制造, 飛行器制造以及機器人領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用空間。 本文通過查閱相關(guān)資料學習 單片機對舵機和步進電機的控制,加深對單片機的理解和應(yīng)用。關(guān)鍵詞:單片機 步進電機 舵機一、應(yīng)用現(xiàn)狀分析舵機是遙控模型控制動作的動力來源,不同類型的遙控模型所需的舵機種類也隨之不 同。 如何審慎地選擇經(jīng)濟且合乎需求的舵機, 也是一門不可輕忽的學問。 本文章主要探討適 合各種小型機器人各工作部位所使用的基本舵機,至

2、于其它種類的模型,如飛機、車、船, 以及大中型機器人則不在本篇文章討論范圍之內(nèi)?；趩纹瑱C的舵機控制方法具有簡單、精度高、成本低、 體積小的特點,并可根據(jù)不同 的舵機數(shù)量加以靈活應(yīng)用。在機器人機電控制系統(tǒng)中, 舵機控制效果是性能的重要影響因素。 舵機可以在微機電系 統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu), 其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之接 口?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機(VR 、永磁式步進電機(PM 、混合式 步進電機(HB 和單相式步進電機等。永磁式步進電機永磁式步進電機一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進角一般為 7.5度 或 15度;反應(yīng)式步進電機反應(yīng)式步進電機一般為三

3、相,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進角一般為 1.5度,但噪聲和振動 都很大。 反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成, 定子上有多相勵磁繞組, 利用磁導的 變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。 它又分為兩相和五相:兩相步進角 一般為 1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。二、外形特征分析舵機主要是由外殼、 電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。 其工作原理是由 接收機發(fā)出訊號給舵機,經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動方向,再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動, 透過減速齒輪將動力傳至擺臂, 同時由位置檢測器送回訊號, 判斷是否已經(jīng)到達定位。 位置

4、 檢測器其實就是可變電阻, 當舵機轉(zhuǎn)動時電阻值也會隨之改變, 藉由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動 的角度。一般的伺服馬達是將細銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上,當電流流經(jīng)線圈時便會產(chǎn)生磁場, 與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用, 進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的作用力。 依據(jù)物理學原理, 物體的轉(zhuǎn)動慣 量與質(zhì)量成正比,因此要轉(zhuǎn)動質(zhì)量愈大的物體,所需的作用力也愈大。 舵機為求轉(zhuǎn)速快、耗 電小, 于是將細銅線纏繞成極薄的中空圓柱體, 形成一個重量極輕的五極中空轉(zhuǎn)子, 并將磁 鐵置於圓柱體內(nèi),這就是無核心馬達。為了適合不同的工作環(huán)境, 有防水及防塵設(shè)計的舵機; 并且因應(yīng)不同的負載需求, 舵機 的齒輪有塑膠及金屬之區(qū)分, 金屬齒輪的舵機一般皆為大

5、扭力及高速型, 具有齒輪不會因負 載過大而崩牙的優(yōu)點。 較高級的舵機會裝置滾珠軸承, 使得轉(zhuǎn)動時能更輕快精準。 滾珠軸承 有一顆及二顆的區(qū)別,當然是二顆的比較好。目前新推出的 FET 舵機,主要是采用 FET(Field Effect Transistor 場效電晶體。 FET 具有內(nèi)阻低的優(yōu)點,因此電流損耗比一般 電晶體少。廠商所提供的舵機規(guī)格資料,都會包含外形尺寸 (mm、扭力 (kg-cm、速度 (秒 /60° 、 測試電壓 (V及重量 (g等基本資料。扭力的單位是 kg-cm,意思是在擺臂長度 1 公分處, 能吊起幾公斤重的物體。 這就是力臂的觀念, 因此擺臂長度愈長, 則扭

6、力愈小。速度的單位 是 sec/60°,意思是舵機轉(zhuǎn)動 60°所需要的時間。 電壓會直接影響舵機的性能,例 如 Futaba S-9001 在 4.8V 時扭力為 3.9kg、速度為 0.22 秒,在 6.0V 時扭力為 5.2kg、 速度為 0.18 秒。 若無特別注明, JR 的舵機都是以 4.8V 為測試電壓, Futaba 則是以 6.0V 作為測試電壓。所謂天下沒有白吃的午餐,速度快、扭力大的舵機,除了價格貴,還會伴隨 著高耗電的特點。因此使用高級的舵機時,務(wù)必搭配高品質(zhì)、 高容量的鎳鎘電池, 能提供穩(wěn) 定且充裕的電流,才可發(fā)揮舵機應(yīng)有的性能。步進電機也有如下主要

7、特性步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn), 驅(qū)動型號必須為脈沖信號, 沒有脈沖的時候, 步進電 機靜止,如果加入適當?shù)拿}沖信號,就會以一定的角度(稱為步角轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈 沖的頻率成正比。步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。改變脈沖的順序,可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。因此,目前打印機,繪圖儀,機器人, 等等設(shè)備都以步進電機為動力核心。我們使用的單極四相步進電機,其結(jié)構(gòu)很簡單。有四個引出端。四個繞組引出四相 (相 A1相 A2相 B1相 B2 和兩個公共線 (接到電源的正極 。 把繞組的某一相接到電源的地線。 這 樣該繞組就會受到激勵。 我們采用四相八拍的控制方式, 即 1相與 2相交替導通,

8、這樣可提 高分辨率。每一步可轉(zhuǎn) 0.9°。步進電機有以下優(yōu)缺點優(yōu)點1. 電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù);2. 電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩(當繞組激磁時;3. 由于每步的精度在百分之三到百分之五, 而且不會將一步的誤差積累到下一步因而 有較好的位置精度和運動的重復性;4. 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng);5. 由于沒有電刷,可靠性較高,因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命;6. 電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定, 因而可以采用開環(huán)控制, 這使得電機的結(jié)構(gòu)可 以比較簡單而且控制成本7. 僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。8. 由于速度正比于脈沖頻率,因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。缺點1.

9、 如果控制不當容易產(chǎn)生共振;2. 難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。三、整體思路分析舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。 其工作原理是:控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片, 獲得直流偏置電壓。 它內(nèi)部有 一個基準電路,產(chǎn)生周期為 20ms ,寬度為 1.5ms 的基準信號,將獲得的直流偏置電壓與電 位器的電壓比較, 獲得電壓差輸出。 最后, 電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正 反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時,通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差為 0,電機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控制信號是 PWM 信號,利用占空比的變化改變舵機的位置。步進電機步進電機是將電脈沖信

10、號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。 在 非超載的情況下, 電機的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù), 而不受負載 變化的影響, 當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號, 它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個 固定的角度,稱為“步距角” ,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈 沖個數(shù)來控制角位移量, 從而達到準確定位的目的; 同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機 轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的。由于步進電動機和舵機能直接接受數(shù)字量的控制, 所以特別適宜采用微機進行控制。 但 為了使得輸出功率增大還需要在數(shù)字電路外圍增加功率放大電路。四、原理分析舵機的工作原

11、理以日本 FUTABA-S3003型舵機為例,圖 1是 FUFABA-S3003型舵機的內(nèi)部電路。 圖 1 FUTABA-S3003型舵機的內(nèi)部電路圖舵機的工作原理是:PWM 信號由接收通道進入信號解調(diào)電路 BA66881。的 12腳進行 解調(diào), 獲得一個直流偏置電壓。 該直流偏置電壓與電位器的電壓比較, 獲得電壓差由 BA6688的 3腳輸出。該輸出送人電機驅(qū)動集成電路 BA6686,以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定 時,通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器 R 。 ,旋轉(zhuǎn),直到電壓差為 O ,電機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控 制信號是 PWM 信號,利用占空比的變化改變舵機的位置。步進電動機的工作原理 圖 2

12、 三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖1定子 2轉(zhuǎn)子 3定子繞組 分頁 圖 2是最常見的三相反應(yīng)式步進電動機的剖面示意圖。電機的定子上有六個均布的磁 極,其夾角是 60º。各磁極上套有線圈,按圖 1連成 A 、 B 、 C 三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布 40個 小齒。 所以每個齒的齒距為 E=360º/40=9º, 而定子每個磁極的極弧上也有 5個小齒, 且定 子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是 30和 40,其比值是一分 數(shù),這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。若以 A 相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對齊,如圖 1,那么 B 相和 C 相磁極的齒就會分別和轉(zhuǎn)子齒相

13、錯三分之一的齒距,即 3º。因此, B 、 C 極下的磁 阻比 A 磁極下的磁阻大。 若給 B 相通電, B 相繞組產(chǎn)生定子磁場, 其磁力線穿越 B 相磁極, 并力圖按磁阻最小的路徑閉合, 這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩 (磁阻轉(zhuǎn)矩 的作用而轉(zhuǎn)動, 直到 B 磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊,恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 3º此時 A 、 C 磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯 開三分之一齒距。接著停止對 B 相繞組通電,而改為 C 相繞組通電,同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作 用, 轉(zhuǎn)子按順時針方向再轉(zhuǎn)過 3º。 依次類推, 當三相繞組按 A B C A 順序循環(huán)通電時, 轉(zhuǎn)子會按順時針方向,以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3&

14、#186;的規(guī)律步進式轉(zhuǎn)動起來。若改變通電順序, 按 A C B A 順序循環(huán)通電, 則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3º的規(guī)律轉(zhuǎn)動。 因為每一瞬間只有一相繞組通電,并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電,故稱為單三拍運行方式。 單三拍運行時的步矩角 b 為 30º。三相步進電動機還有兩種通電方式,它們分別是雙三拍 運行,即按 AB BC CA AB 順序循環(huán)通電的方式,以及單、雙六拍運行,即按 A AB B BC C CA A 順序循環(huán)通電的方式。 六拍運行時的步矩角將減小一半。 反應(yīng)式步進 電動機的步距角可按下式計算:b=360º/NEr (1式中 Er 轉(zhuǎn)子齒數(shù)

15、;N 運行拍數(shù), N=km, m 為步進電動機的繞組相數(shù), k=1或 2。五、控制方法分析舵機的控制方法標準的舵機有 3條導線,分別是:電源線、地線、控制線,如圖 3 所示。圖 3 標準舵機接線電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源.電壓通常介于 46V , 一般取 5V 。注意,給舵機供電電源應(yīng)能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的 周期性方波脈沖信號, 方波脈沖信號的周期為 20 ms(即頻率為 50 Hz。 當方波的脈沖寬度改 變時, 舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變, 角度變化與脈沖寬度的變化成正比。 某型舵機的輸出軸轉(zhuǎn) 角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖 4 來

16、表示。圖 4 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度之間的關(guān)系步進電動機的控制方法步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作, 而必須使用專用的步進電動機驅(qū) 動器,如圖 5所示,它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。圖中點劃線 所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。 驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合, 也可理解成步 進電動機微機控制器的功率接口,這里予以簡單介紹。 圖 5 步進電動機驅(qū)動控制器1. 單電壓功率驅(qū)動接口實用電路如圖 6所示。在電機繞組回路中串有電阻 Rs ,使電機回路時間常數(shù)減小,高 頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩, 還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象, 但它引起附加的損耗。 一 般

17、情況下,簡單單電壓驅(qū)動線路中, Rs 是不可缺少的。 Rs 對步進電動機單步響應(yīng)的改善如 圖 6(b 。圖 6 單電壓功率驅(qū)動接口及單步響應(yīng)曲線2. 雙電壓功率驅(qū)動接口雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖 7所示。 雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低 (低頻段 用較低 的電壓 UL 驅(qū)動,而在高速(高頻段時用較高的電壓 UH 驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控 制信號, Uh 為高壓有效控制信號, U 為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中,功率管 TH 和二極 管 DL 構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當 Uh 低電平, TH 關(guān)斷, DL 正偏置,低電壓 UL 對繞組供電。 反之 Uh 高電平, TH 導通, DL 反偏,高電壓 UH

18、對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段 也有較大出力,而靜止鎖定時功耗減小。 圖 7 雙電壓功率驅(qū)動接口3. 高低壓功率驅(qū)動接口 圖 8 高低壓功率驅(qū)動接口高低壓功率驅(qū)動接口如圖 8所示。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是,不論電機工作頻率如何, 均利用高電壓 UH 供電來提高導通相繞組的電流前沿,而在前沿過后, 用低電壓 UL 來維持 繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能,而且不必再串聯(lián)電阻 Rs ,消除了附 加損耗。 高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號 Uh 和 Ul , 它們應(yīng)保持同步, 且前沿在 同一時刻跳變,如圖 8所示。圖中,高壓管 VTH 的導通時間 tl 不能太大,也不能太小,

19、太 大時,電機電流過載;太小時,動態(tài)性能改善不明顯。一般可取 13ms。 (當這個數(shù)值與電 機的電氣時間常數(shù)相當時比較合適 。4. 斬波恒流功率驅(qū)動接口恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是, 設(shè)法使導通相繞組的電流不論在鎖定、 低頻、 高頻工作時均保 持固定數(shù)值。使電機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。 圖 9是斬波恒流功率接口原理圖。圖中 R 是一個用于電流采樣的小阻值電阻,稱為采樣電 阻。當電流不大時, VT1和 VT2同時受控于走步脈沖,當電流超過恒流給定的數(shù)值, VT2被封鎖,電源 U 被切除。由于電機繞組具有較大電感,此時靠二極管 VD 續(xù)流,維持繞組 電流, 電機靠消耗

20、電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。 此時電流將按指數(shù)曲線衰減, 同樣電流采樣 值將減小。當電流小于恒流給定的數(shù)值, VT2導通,電源再次接通。如此反復,電機繞組 電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上,形成小小的鋸齒波,如圖 9 所示。圖 9 斬波恒流功率驅(qū)動接口斬波恒流功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號,其中 u1是數(shù)字脈沖, u2是模擬信號。 這種功率接口的特點是:高頻響應(yīng)大大提高, 接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性,共振現(xiàn)象消除,但線路 較復雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。5. 升頻升壓功率驅(qū)動接口為了進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的高頻響應(yīng), 可采用升頻升壓功率驅(qū)動接口。 這種接口對繞組 提供的電壓與電機的運行頻率

21、成線性關(guān)系。 它的主回路實際上是一個開關(guān)穩(wěn)壓電源, 利用頻 率 -電壓變換器,將驅(qū)動脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平,并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸 入,這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動接口。6. 集成功率驅(qū)動接口目前已有多種用于小功率步進電動機的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。L298芯片是一種 H 橋式驅(qū)動器, 它設(shè)計成接受標準 TTL 邏輯電平信號, 可用來驅(qū)動電 感性負載。 H 橋可承受 46V 電壓,相電流高達 2.5A 。 L298(或 XQ298, SGS298 的邏輯電路 使用 5V 電源,功放級使用 546V電壓,下橋發(fā)射極均單獨引出,以便接入電流取樣電阻。 L298(等 采用 15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝,工業(yè)品等級。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 7所示。 H 橋 驅(qū)動的主要特點是能夠?qū)﹄姍C繞組進行正、反兩個方向通電。 L298特別適用于對二相或四 相步進電動機的驅(qū)動。 圖 10 L298原理框圖與 L298類似的電路還有 TER 公司的 3717,它是單 H 橋電路。 SGS 公司的 SG3635則