单片机对舵机和步进电机的简单控制 摘要:舵机和步进电机同样是将电能转换 为旋转力矩的电动设备，但它们都需要电信号进 行操控。舵机将电信号转换为旋转 角度而步进电机将电信号转换为固定的旋转角速度。 它们在船舶制造，飞行器制造
以及机器人领域有很广阔的应用空间。 本文通过查阅相关资料学习 单片机对舵机 和步进电机的控制，加深对单片机的理解和应用。
关键词:单片机步进电机舵机
、应用现状分析
舵机是遥控模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也 随之不同。如何审慎地选择经济且合乎需求的舵机，也是一门不可轻忽的学问。 本文章主要探讨适合各种小型机器人各工作部位所使用的基本舵机，至于其它种类 的模型，如飞机、车、船，以及大中型机器人则不在本篇文章讨论范围之内。
基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、 体积小的特点，并可 根据不同的舵机数量加以灵活应用。
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。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 （VR、永磁式步进电机（PM、 混合式步进电机（HB和单相式步进电机等。
永磁式步进电机
大聚合永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度;
反应式步进电机
压铸机料筒的设计反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度,但噪声和 振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组， 利用磁导的 变化产生转矩。
混合式步进电机
四氢呋喃除水混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相：两 相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广 泛。定位板
、外形特征分析
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 作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核 心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断 是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之 改变,藉由检测电阻值便可知转动 的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极 转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产 生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯 量与质量成正比，因此要转动质 量愈大的物体，所需的作用力也愈大。 舵机为求转速快、耗 电小，于是将细铜线缠 绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁 铁置於圆柱体 内,这就是无核心马达。 为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机；并且因应不同的负载需 求,舵机的齿轮有塑胶及金属之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，具 有齿轮不会因负 载
过大而崩牙的优点。 较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时 能更轻快精准。滚珠轴承 有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。目前新推出 的FET舵机,主要是采用FET(Field Effect Transistor场效电晶体。FET具有内阻低 的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。
厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸（mm、扭力（kg-cm、速度（秒
/60 °测试电压（V及重量（g等基本资料。扭力的单位是 kg-cm,意思是在摆臂长 度1公分处,能吊起几公斤重的物体。 这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭 力愈小。速度的单位 是sec/60 ,意思是舵机转动60所需要的时间。电压会直接影 响舵机的性能 例如Futaba S-9001在4.8V时扭力为3.9kg、速度为0.22秒,在6.0V 时扭力为5.2kg、速度为0.18秒。若无特别注明,JR的舵机都是以4.8V为测试电 压,Futaba则是以6.0V作为测试电压。所谓天下没有白吃的午餐，速度快、扭力大 的舵机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高 品质、高容量的镍镉电池，能提供稳 定且充裕的电流，才可发挥舵机应有的性能。
步进电机也有如下主要特性
步进电机必须加驱动才可以运转，驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候, 步进电机静止,如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角转动。转动 的速度和脉 冲的频率成正比。
步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机，绘图仪,机器人, 等等设备都以步进电机为动力核心。
我们使用的单极四相步进电机，其结构很简单。有四个引出端。四个绕组引出
四相（相A1相A2相B1相B2和两个公共线（接到电源的正极。把绕组的某一相 接到电源的地线。这样该绕组就会受到激励。 我们采用四相八拍的控制方式，即1 相与2相交替导通，这样可提高分辨率。每一步可转0.9 :
步进电机有以下优缺点
优点
1.电机旋转的角度正比于脉冲数；
2.电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时;
3.由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一 步因而有较好的位置精度和运动的重复性；
4.优秀的起停和反转响应；
5.由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；
6.电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结 构可以比较简单而且控制成本
7.仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。
8.由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。
火炬点火装置缺点
1.如果控制不当容易产生共振；
2.难以运转到较高的转速。
三、整体思路分析
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
组合鞋架
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。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。
步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电
机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和 脉冲数,而不受负载 变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进 电机按设定的方向转动一个 固定的角度，称为步距角”它的旋转是以固定的角度一 步一步运行的。可以通过控制脉 冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的； 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目 的。
由于步进电动机和舵机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行 控制。但为了使得输出功率增大还需要在数字电路外围增加功率放大电路。
四、原理分析
舵机的工作原理
以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电 路。
图1 FUTABA-S3003型舵机的内部电路图
舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路 脚进行解调,获得一个直流偏置电压。 该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得 电压差由BA6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路 BA6686,以驱动电机 正反转。当电机转速一定 时，通过级联减速齿轮带动电位器 R。，旋转，直到电压差
