舵機控制器是機器人的重要部件。采用一種新穎的利用單片機產生多路控制舵機用PWM的方法，利用單片機內部定時器，分時復用技術，在不增加任何硬件電路的前提下，用單片機實現(xiàn)多達24路PWM輸出。該方法取代了傳統(tǒng)的使用分立元件產生PWM波的方法，大大減少了分立元器件數(shù)目及電路連線，改善了系統(tǒng)可靠性，提高了控制精度，并成功用在17自由度仿人機器人的控制系統(tǒng)中。

1 前言

小型仿人機器人由于控制結構簡單，擴展性好，在仿人機器人研究和其他領域正在得到廣泛的重視和應用。舵機是小型仿人機器人常用的輸出執(zhí)行機構。它接收一定的控制信號，輸出相應的角度。

2 舵機的構造和控制方法

從圖1可以看出，舵機主要是由外殼、一個小型直流電機、一組減速齒輪、一個用于檢測轉角位置的檢測電位器和一塊控制電路板組成。其中，高速轉動的直流電動機提供了原始動力，經過減速齒輪組減速后，通過輸出軸對外提供轉距，齒輪組的減速比越大，舵機的輸出力矩也越大。 標準的舵機有3條導線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2所示。電源線和地線用于提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源,電壓通常介于4～7.2 V，控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號。當方波的脈沖寬度改變時,舵機的角度發(fā)生改變,角度變化與脈沖寬度的變化成正比。機器人用的舵機型號是GM995，其輸出軸轉角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系可用圖3來表示。

舵機標稱方波脈沖信號的周期為20ms，事實上舵機角度控制對信號的周期要求很寬松18～20ms均可，實驗中發(fā)現(xiàn)，在周期為40ms時舵機仍然能夠穩(wěn)定工作。

3 舵機控制器的設計

舵機的控制信號實質是一個脈沖寬度調制信號（PWM）?？捎蒄PGA、模擬電路或單片機來產生。采用FPGA或CPLD產生PWM波已經在很多重要的場合得到應用，依靠FPGA或CPLD特有的并行處理能力和大量的I/O接口，可以同時控制幾十甚至上百個舵機同時工作，這種方法可靠、控制精度高，但是FPGA/CPLD用于產生PWM波時，并不具備事務處理能力，實際中還需要MCU協(xié)同工作，所以成本較高，適合于重要場合。用模擬電路實現(xiàn)較復雜，不適合多路輸出，同時產生的脈沖頻率和寬度往往不是很準確，很難做到對舵機的精確控制。由于單片機具有性能穩(wěn)定、編程靈活、精度較高、價格低廉等特點，一般采用單片機作為舵機控制器。

最直接的方法就是用單片機本身所帶的PWM口產生波形，但該方法受到MCU內部資源的限制，僅能實現(xiàn)2～6路PWM的輸出，不適合需要空控制多路舵機的場合。文獻《機器人的創(chuàng)意設計與實踐》給出一種利用555振蕩器產生的脈沖信號進行計數(shù)來產生PWM信號的方法。文獻《基于AT89C2051的多路舵機控制器設計》給出一種利用定時器中斷來產生PWM波信號的方法。文獻《用單片機產程7路舵機控制PWM波的方法》分時復用的思想，用單片機產生了7路舵機控制PWM信號，其控制脈沖的周期為14590，控制脈寬為1200～1800，將一個周期均勻劃分為7份，在每一個時段控制其中一路輸出。缺點占用MCU的許多計算時間，優(yōu)點是換了控制的高精度。

3.1 舵機控制器硬件電路設計

本文綜合以上方案，采用分時復用技術，將一個PWM信號周期（20ms）分成8個時段，每一個時段并行產生3路PWM信號，則一共可以產生24路PWM信號，并且在以PIC16F877A單片機為核心控制器，晶振頻率為20M的條件下，所產生的PWM信號控制舵機的最大誤差＜1°。

圖4為舵機控制器的原理圖。該系統(tǒng)是一個典型的集中式控制方式，單片機作為控制的核心部分，完成與上位機通訊，實現(xiàn)對機器人的智能控制；通過IIC總線與EEPROM（24C512）進行數(shù)據存取操作實現(xiàn)讀寫仿人機器人的行為數(shù)據；產生24路PWM信號控制舵機；檢測機器人的電池電壓以及通過LED顯示機器人的工作狀態(tài)。

需要注意的是，舵機在工作的時候會吸入較大電流，多路舵機同時工作時對電源電壓造成的波動很大，而舵機的信號電平最好是不要抖動的，因此圖4中采用穩(wěn)壓電路對電源Vs進行穩(wěn)壓，否則，實驗中發(fā)現(xiàn)個別舵機偶爾會產生振蕩。

3.2 實現(xiàn)多路PWM信號及舵機調速原理

本文以MICROCHIP公司生產的增強型RISC內載Flash的高性能8位單片機PIC16F877A為主控芯片，晶振頻率取值20MHz，則單片機每條指令執(zhí)行時間為200ns。從圖3可以看出，舵機角度變化一度時，脈寬改變?yōu)?000/180°=11.1/°，單片機能執(zhí)行11.1/0.2/條≈55條指令，但是用C語言很難實現(xiàn)在55條指令內一次比較判斷完24路舵機的PWM信號。

多路PWM信號產生的機理如圖5所示。為了產生精確的時間信號，占用了一個16位硬件計數(shù)器，計數(shù)基準設為200ns，同時用24個16位匹配寄存器保存每一路PWM信號的計數(shù)匹配值，該匹配值正比于舵機的期望角度。24路PWM信號分為8組，每組3路進行分時控制。程序開始時，將第一組PWM信號相應的引腳全置高電平，并且將計數(shù)器清零。然后不斷查詢計數(shù)器的值是否與大于或等于匹配寄存器的值，若是的話，將該路PWM信號的引腳置為低電平。每一組PWM信號占用的時隙均為2.5ms（不足2.5ms的延時到2.5ms），這樣保證每一路PWM信號的周期。

這種分時控制的方法的最大有點是保證每一路PWM信號的時間誤差最小，且不會產生波形的抖動，對于處理速度不是很快的單片機，如MSC-51系列和PIC的中檔系列單片機也能產生精確的多路PWM波形；缺點是占用CPU的資源較多，需要一定編程技巧對系統(tǒng)的其他任務進行處理，使得能夠在0.5ms～1ms內完成。而事實上，對于PIC16F877A單片機在20M的系統(tǒng)時鐘下，1ms內能執(zhí)行5000條單周期指令，足以處理很多系統(tǒng)的事務，而且上文已經證實PWM的周期可以大于20ms。

4 軟件設計

圖6給出了多路PWM信號的發(fā)生流程圖。PA、PB、PC、PD、PE的24個端口均為PWM輸出端口，16位定時器1用來和每組的3路PWM信號匹配寄存器進行比較，基準為200nS。

設PIC16F877A的系統(tǒng)時鐘頻率為f，計數(shù)器對系統(tǒng)時鐘的分頻比為PS，PWM信號的高電平最長時間為Th，對應的最大角度為Amax，則可以的出比例系數(shù)：

則對于角度Ad，對應的比較寄存器的數(shù)值為:

舵機是一個位置伺服系統(tǒng)，可以對轉角進行精確控制，事實上還可以用通過軟件生成速度的梯形圖，對舵機轉動的角速度進行控制。該仿人機器人的行為數(shù)據由一組組的“關鍵幀”數(shù)據組成，要求控制各個關節(jié)的舵機必須在同一時刻到達行為數(shù)據設定的角度，所以對舵機的速度控制提出了比較高的要求。

由于比較寄存器的數(shù)值T正比于PWM波的高電平時間，即脈寬。舵機的角度從0度變化到180度，則T的值也應由小變大，因此改變T變化的步進量，則可以改變舵機轉動的速度。

假設舵機的目標角度從Ad變化到Ad’，則對應的比較寄存器的數(shù)值也從T變化到T’, 程序以PWM的周期，即20ms為一個控制周期，并且以步進量Inc遞增或遞減比較寄存器的數(shù)值，從而控制PWM波的脈寬，因此改變步進量Inc的大小，就改變了舵機轉動速度的快慢。即

（3）式中，Inc為步進量,取值從1到255，即舵機的速度有1到255個等級。步進量越大， 需要的控制周期N越小，則在更少的時間內舵機轉到期望的角度。

5 結束語

本文成功實現(xiàn)了24路舵機用PWM波的產生，不僅控制精度高，而且實現(xiàn)了對舵機速度的控制。該控制器應用在17自由度小型人形機器人上，達到較好的控制效果，并且具有很好的通用性。