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Arduino开发板实验三：舵机控制

由 动力老男孩 发表于 2010/02/09 23:03:12

经常玩NXT的朋友肯定对NXT的电机印象深刻，使用非常方便。转速，角度和方向都可以随意控制。

在计划制作小爱的时候，我也一直希望能找到这样的电机。查了一些资料，觉得比较容易控制的有舵机和步进电机。舵机的主要玩家是船模和航模的爱好者们。大海航行靠舵手，舵机就是用来控制舵角的，它的最大特点是可以方便的控制角度，它的限制是舵角一般不超过180度。步进电机就强多了，既可以控制角度，还可以连续旋转，它的问题是输出就是一个光轴，需要加工配套的零件才能使用，另外价格好像会更贵一点。

我计划用舵机来实现小爱的机械臂，最主要的考虑原因是舵机自带很多舵角之类的配件，比较容易安装，毕竟机械加工是制作过程中最麻烦的部分。另外，一般机械臂的关节转角也不需要大于180度，用舵机就足够了。下面是使用Arduino开发板控制舵机的一个小实验。

先抄一段说明：舵机，又称伺服马达，是一种具有闭环控制系统的机电结构。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由控制器发出PWM（脉冲宽度调制）信号给舵机，经电路板上的IC处理后计算出转动方向，再驱动无核心马达转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器（电位器）返回位置信号，判断是否已经到达设定位置，一般舵机只能旋转180度。

舵机结构图

舵机有3根线，棕色为地，红色为电源正，橙色为信号线，但不同牌子的舵机，线的颜色可能不同，请大家注意。

舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。

舵机角度和占空比的关系

 下面这个小实验的目标是用电位器控制舵机的角度，正好在前一个实验里，电位器都还没有拆掉。需要特别注意的是供电部分，舵机转动时电流会比较大，Arduino上的电源芯片可能会因过流保护到发热而损坏，电源需要接到外部供电，切不可使用USB供电。
舵机的棕色线接GND，红色线接VIN（我猜这个是直接连到外接电源的正极），黄色是数据线，接在PWM的7号管脚。电位器的连接稍微有点变换，因为管脚们施展不开，我把正极连在3.3V的接口上，这样模拟输入的范围就变成了0到660左右。前面说了，舵机分别用0.5ms到2.5ms之间的脉冲来对应0到180度左右的角度，我们可以用pulsewidth=(angle*11)+500这样的公式，把0到180度的转角映射到500到2480的脉冲时间。

接线图

下面看代码：

int readPin = 6;   //用来连接电位器
int servopin = 7;    //定义舵机接口数字接口7

void servopulse(int angle)//定义一个脉冲函数
{
  int pulsewidth=(angle*11)+500;  //将角度转化为500-2480的脉宽值
  digitalWrite(servopin,HIGH);    //将舵机接口电平至高
  delayMicroseconds(pulsewidth);  //延时脉宽值的微秒数
  digitalWrite(servopin,LOW);     //将舵机接口电平至低
  delayMicroseconds(20000-pulsewidth);
}

void setup()
{
   pinMode(servopin,OUTPUT);//设定舵机接口为输出接口
}

void loop()
{
  //读取电位器（传感器）的读数，接到3.3V，值范围从0到660左右
  int readValue = analogRead(readPin);
  //把值的范围映射到0到165左右
  int angle = readValue / 4;
  //发送50个脉冲
  for(int i=0;i<50;i++)
  {
     //引用脉冲函数
     servopulse(angle);
  }
}

实验结果：当旋转电位器的时候，舵机的角度随之改变。不过最终转角并没有达到180度，在某些范围内，电位器旋转时，舵机没有转动。网上舵机的说明也提到了这点，识别的角度范围是有限的。具体的有效角度范围，我还没有测量，等将来开始制作的时候再说。

arduino 控制 舵机

对 “Arduino开发板实验三：舵机控制” 的 19 条 评论

1. xin zhao 说：

   2010/02/10 于 04:08

   请问下，您目前有小爱的标准设计图纸么？

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   • xin zhao 说：

     2010/02/10 于 05:44

     By AutoCAD.

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   • 动力老男孩 说：

     2010/02/10 于 09:14

     暂时没有设计图，边玩别摸索

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2. dead_lee 说：

   2010/02/10 于 07:59

   你做小爱, 让你老婆做伊娃…

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3. 秦大少 说：

   2010/02/14 于 15:45

   拜年喽，恭喜发财！
   你很强啊！点GG以示支持了！

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4. Jim 说：

   2010/07/09 于 22:16

   貌似博主的程序会不停的负责脉冲调制
   可否采用Arduino自带的脉冲调制模块，也就是analogWrite(A_PIN, i);
   0 <= i <= 255
   这样你的loop程序可以用来做其它的
   你就有个多线程Arduino了

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   • 动力老男孩 说：

     2010/07/11 于 08:05

     感谢Jim的建议，我曾经也想过这个问题。
     但当时觉得analogWrite的脉冲跨度太大，没法精确控制，看下面的数据：
     一个PWM宽度是20ms=20,000μs
     analogWrite(A_PIN, i); //i=0~255
     i增大1的时候，脉冲宽度增加20,000/256=78μs

     而电机的控制脉冲是500μs~2480μs，对应180度，每度对应的脉冲宽度是11μs

     也就是说，analogWrite参数只有i=7~31左右有效，而且i增大1的时候，电机会增加7度左右，这样就不能精确控制了

     不过现在回头看来，这些号称精确到度的电机，其实误差非常大，所以用analogWrite控制应该也没有问题。:)

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   • 动力老男孩 说：

     2010/08/05 于 21:31

     更正一下，用这种方式是不行的
     舵机标准的脉冲周期是20ms，我查了下资料，arduino的pwm模拟输出脉冲周期只有2ms左右(490Hz）所以不能用这种方式来实现“多线程”
     如果想同时控制多个电机，只能通过编程的方式，类似于CPU的分片思想

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5. bobingwang 说：

   2010/07/24 于 13:51

   我想知道博主的舵机什么型号，在那里买的

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   • 动力老男孩 说：

     2010/07/24 于 21:54

     舵机是“春天”牌的，型号看你需要的扭矩大小
     淘宝上搜一下，好多的

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6. 你说呢 说：

   2010/08/10 于 17:33

   博主，你的程序我编译后为什么会出现
   error: expected unqualified-id before numeric constant 这个错误啊，程序一样，板子也一样，就是不明白。。

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   • 动力老男孩 说：

     2010/08/10 于 21:12

     这个可能需要问一下古狗大神

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7. 你说呢 说：

   2010/08/10 于 20:29

   请问博主，Arduino Mega上的Analog In和PWM上都有0-13管脚，这是引脚复用吗？

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   • 动力老男孩 说：

     2010/08/10 于 21:11

     这两个的0-13不是相通的，可以用，不会冲突

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8. 你说呢 说：

   2010/08/10 于 20:32

   再问一句，USB供电是+5V，板子上只连USB供电是不是就够了？

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   • 动力老男孩 说：

     2010/08/10 于 21:10

     我当时只带一个舵机，只用USB供电就够了
     但是如果电机多的话，最好还是同时外接一个电源

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9. 菜鸟 说：

   2013/02/20 于 17:31

   我想请教一下控制速度的程序，你这发送脉冲控制不了电机的转速啊？
   请教

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   • 动力老男孩 说：

     2013/02/21 于 11:18

     舵机不是连续旋转的，所以没有所谓的“转速”。脉冲控制的是角度，就像船夫掌舵一样，我猜想这就是叫舵机的原因

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     • 菜鸟 说：

       2013/02/28 于 11:51

       哦 谢谢 楼主的讲解！

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