伺服電動機(jī)是一種特殊的齒輪減速直流電動機(jī)，配備有用于控制電動機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)方向以及位置的電子電路。由于伺服電機(jī)允許其輸出軸的精確角度定位，因此它們廣泛用于機(jī)器人技術(shù)和無線電控制的汽車，飛機(jī)和船只中，以控制其各個零件的運(yùn)動。在本實(shí)驗(yàn)課程中，我們將首先探討伺服電動機(jī)的組成及其工作原理，然后說明如何將其與PIC微控制器接口。

伺服電動機(jī)控制使用PIC微控制器

理論

伺服電動機(jī)（或伺服）是一個小盒子，其中裝有一個直流電動機(jī)，通過一系列齒輪連接至電動機(jī)的輸出軸（伺服臂）和控制該軸位置的電子電路。使用伺服的目的是實(shí)現(xiàn)對象的精確角度定位。

為了實(shí)現(xiàn)伺服功能，輸出軸的瞬時定位信息通過換能器反饋到控制電路。最簡單的方法是將電位計連接到輸出軸或齒輪系中的某個位置?？刂齐娮釉O(shè)備將電位計的反饋信號（包含軸的當(dāng)前位置）與控制輸入信號（包含軸的期望位置的信息）進(jìn)行比較，并將實(shí)際值和期望值之間的差（稱為誤差信號）被放大并用于在減少或消除誤差所需的方向上驅(qū)動直流電動機(jī)。當(dāng)輸出軸到達(dá)所需位置時，誤差為零。典型伺服電機(jī)的功能框圖如下所示。

伺服電機(jī)原理

伺服部件（來源：http：//tutorial.cytron.com.my/2011/09/19/how-rc-servo-works/）

伺服是脈寬調(diào)制（PWM）信號，通常頻率為50 Hz。這意味著脈沖應(yīng)每20ms重復(fù)一次。脈沖的寬度決定了輸出軸的角度位置。伺服器內(nèi)部的電子電路將PWM信號轉(zhuǎn)換為成比例的輸出電壓，并將其與電位計的反饋電壓進(jìn)行比較。如果兩者之間存在差異，則控制電路會沿適當(dāng)?shù)姆较蝌?qū)動電動機(jī)，直到差異變?yōu)榱銥橹埂Ｃ}沖寬度的典型值在1.0到2.0毫秒（ms）的范圍內(nèi)。對于標(biāo)準(zhǔn)伺服器，脈沖寬度在1.0毫秒至1.5毫秒之間會使伺服器順時針旋轉(zhuǎn)（CW），在1.5毫秒至2.0毫秒之間使伺服器能夠逆時針旋轉(zhuǎn)（CCW），而1.5毫秒脈沖寬度會使伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)向它的中心。但是，這些值可能會因電機(jī)的品牌和制造而有所不同。建議閱讀伺服器的數(shù)據(jù)表，以找到將伺服器定位在不同角度所需的脈沖寬度的真實(shí)值。

大多數(shù)伺服器旋轉(zhuǎn)180°。然而。有些可以旋轉(zhuǎn)360°或更大角度。 Servos由于其精確的角度定位而被廣泛用作機(jī)器人手臂中的活動關(guān)節(jié)。他們還發(fā)現(xiàn)了在無線電（RC）玩具中的應(yīng)用。例如，在RC汽車中，它們用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，在RC船中用于控制舵。

伺服電機(jī)具有三根電線：兩根用于電源（Vcc和地面），第三根用于電源。 Vcc線通常是紅色的，接地線是黑色或棕色的?？刂菩盘柧€為白色，黃色或橙色。本實(shí)驗(yàn)中使用的伺服電機(jī)來自iCircuit技術(shù)，并具有分別用于Vcc，Gnd和控制信號的紅色，棕色和黃色導(dǎo)線。它以5.0 V電源供電，并提供180°的角度旋轉(zhuǎn)

典型的伺服電機(jī)

不同角度位置的伺服定時信息

伺服臂的不同角度位置

電路

此電路的電路圖實(shí)驗(yàn)如下所示。伺服器的控制輸入來自PIC16F628A微控制器的RB1引腳，該P(yáng)IC16F628A微控制器使用外部陶瓷諧振器以4.0 MHz的頻率工作。輕觸開關(guān)連接到RB0引腳，以提供用戶輸入來控制伺服臂的位置。該實(shí)驗(yàn)的操作部分在下面的軟件部分中進(jìn)行介紹。

用于伺服電機(jī)控制演示的電路圖

電路板上的電路設(shè)置

軟件

PIC16F628A的固件是用用于PIC編譯器的MikroC Pro編寫的。 Timer0模塊用作帶預(yù)分頻器1：256的定時器，以在兩個連續(xù)的PWM脈沖之間產(chǎn)生大約20 ms的間隔。請記住，時鐘頻率為4.0 MHz，這導(dǎo)致1 s的機(jī)器周期，從而簡化了使用Timer0計算延遲的數(shù)學(xué)運(yùn)算。 MikroC提供了一個內(nèi)置的庫函數(shù)Delay_Cyc（），該函數(shù)生成可變的時鐘周期延遲。此功能用于將控制脈沖的寬度從0.7毫秒更改為2.3毫秒。當(dāng)電路第一次上電或復(fù)位時，在RB1引腳上連續(xù)產(chǎn)生脈沖寬度為0.7 ms的50 Hz PWM信號。該控制信號一直沿順時針方向?qū)⑺欧垡恢币苿拥侥┒?，該末端被視?角位置。按下連接到RB0引腳的輕觸開關(guān)時，脈沖寬度增加0.2 ms，這將使軸逆時針（CCW）旋轉(zhuǎn)大約22.5°。因此，每次按下開關(guān)，脈沖寬度都會增加0.2 ms，并且軸將進(jìn)一步沿CCW方向旋轉(zhuǎn)。連續(xù)按下開關(guān)8次后，脈沖寬度變?yōu)?.3 ms，軸到達(dá)另一端（180°角位置）。在第9次按下時，脈沖寬度被重置為0.7 ms，并且電機(jī)軸沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，直到回到0角位置。在程序中，變量“ i”存儲脈沖寬度信息（脈沖寬度= i * 10 * 10微秒），并以2為步長從7變?yōu)?3。當(dāng)i = 7時，脈沖寬度為7 * 10 * 10 = 700微秒（0.7 ms），當(dāng)i = 23時，寬度為2.3 ms。

/*

Lab 21： Servo motor Control using PIC16F628A

MCU： PIC16F628A running at 4.0 MHz， MCLR enabled， WDT is OFF， Brown Out Detect

disabled

Written by： Rajendra Bhatt （www.embedded-lab.com）

2012/03/29

Description： User input switch is connected to RB0 and Servo Control signal

is generated from RB1 pin.

*/

sbit SW1 at RB0_bit;

sbit Control at RB1_bit;

unsigned short i=7， delay;

void interrupt（） {

delay = i*10;

Control = 1;

Delay_Cyc（delay）; // Generates delay equal to 10*delay clock cycles

Control = 0;

TMR0 = 180; // TMR0 returns to its initial value

INTCON.T0IF = 0; // Bit T0IF is cleared so that the interrupt could reoccur

}

void main（） {

CMCON = 0x07; // Disable Comparators

TRISB = 0b00000001;

PORTB = 0;

OPTION_REG = 0x07; // Prescaler （1:256） is assigned to the timer TMR0

TMR0 = 180; // Timer T0 counts from 180 to 255 to create ~20 ms period

INTCON = 0xA0; // Enable interrupt TMR0 and Global Interrupts

do{

if（！SW1）{ // Change pulse width when Switch is pressed

Delay_ms（300）;

i = i+2;

if（i》23） i=7;

}

}while（1）;

}

下載完整的源文件和HEX文件

輸出

將HEX文件加載到PIC16F628A微控制器之后，您可以觀察伺服控制器的運(yùn)行情況。觀看底部的演示視頻，以查看該實(shí)驗(yàn)的輸出。

責(zé)任編輯：wv