代码收藏家技术教程 2023-08-11

使用STM32控制SG90 9g舵机的详细教程

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一、什么是舵机？

产品参数
名称：9克舵机180度
尺寸：23mm X 12.2mm X 29mm
重量：9克
扭矩：1.5kg/cm
工作电压：4.2 – 6V
温度范围：0 – 55℃
运行速度：0.3s/60℃
死带宽：10ms

舵机有三条线定义：

暗灰：GND

红色：VCC 4.8V – 7.2V

橙黄线：脉冲输入

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（角度）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。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。

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。

二、工作原理

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。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。

舵机控制：
舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：
0.5ms————–0度；
1.0ms————45度；
1.5ms————90度；
2.0ms———–135度；
2.5ms———–180度；

这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。
小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，一般为0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。

要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为1度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。

使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。

为什么FPPA就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。主要还是 delay memory这样的具有创造性的指令发挥了功效。该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加1个指令周期（数据0出外，详情请参见delay指令使用注意事项）因为是8位的数据存储单元，所以memory中的数据为（0～255），记得前面有提过，舵机的角度级数一般为1024级，所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的，所以我们可以采用2个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了。所以这样一来，我们可以采用这样的软件结构了：

三、利用PWM控制

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下图所示

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。软件流程如下图所示。

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。下图是硬件连接图。

四、stm32舵机控制

1. PWM设计
TIM1 -> CH1 PA8

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
	
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);// 
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE);  //使能GPIO外设时钟使能
   //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM1 CH1的PWM脉冲波形
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //TIM_CH1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值  80K
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  不分频
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
  TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据     TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
  
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
  TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);  //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx
 
  TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);  //MOE 主输出使能 
  TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);  //CH1预装载使能     
  TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器
  TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  //使能TIM1

2.steering engine

TIM1_PWM_Init(1999,719);	//  72000000/720/2000=20ms
IM_SetCompare1(TIM1,1950); //对应0度		2.5%
delay_ms(1000);	
TIM_SetCompare1(TIM1, 1900); //对应45度		5%		
delay_ms(1000);
TIM_SetCompare1(TIM1, 1850); //对应90度		7.5%
delay_ms(1000);
TIM_SetCompare1(TIM1, 1800); //对应135度		10%
delay_ms(1000);
TIM_SetCompare1(TIM1,1750); //对应180度		12.5%
delay_ms(1000);