基于STC15F2K60S2的多路PWM舵機控制器設計

姚強 王亞剛

摘 要：舵機控制器在機器人控制技術中有重要應用，其性能優劣直接關系到多舵機系統能否正常工作。為解決采用控制芯片設計的舵機控制器多路數輸出和高精度之間的矛盾，設計了一種新的舵機控制器，硬件采用高性能STC15F2K60S2單片機，在最大限度內縮短了中斷服務時間，PWM波控制精度可達0.5us；軟件采用分時復用思想，PWM波在20ms的信號周期內輸出路數多達32路。經仿真軟件驗證，該設計在保證控制路數足夠多的前提下極大提高了控制精度，并成功應用于7自由度持鏡機械臂控制。

關鍵詞：舵機控制器；STC15F2K60S2；PWM；持鏡機械臂

DOI：10.11907/rjdk.172881

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）006-0132-04

Abstract：The steering gear controller plays an important role in robot control technology， and it has a direct influence on the multi-steering system. In order to solve the contradiction between multi-controlling channels and low accuracy of the steering gear controller， we adopt controller IC to design a new type of steering gear controller. The high-performance STC15F2K60S2 microcontroller is used to shorten the time of the interrupt service to the maxium. The control precision of PWM wave can reach 0.5us. The thought of time-sharing is adopted to produce no more than 32 PWM channels in 20ms signal period. The simulation software verifies that on the premise of enough controlling channels the new design greatly improves the controlling precision and can be successfully applied in controlling seven-DOF endoscope arm.

Key Words：steering gear controller； STC15F2K60S2； PWM； endoscope arm

0 引言

舵機控制器設計是機械臂控制的關鍵技術之一。目前舵機的PWM控制信號生成方法可概括為3大類：第一類是基于分立器件的產生方法[1]，它的實現電路比較復雜，而且精度難以控制，信號質量不高；第二類是基于可編程邏輯器件（PLD）的產生方法[2-3]，該方法可產生多路高精度PWM，但是設計復雜，成本較高，只有在高要求場合下才可使用；第三類是基于單片機的產生方法[4-6]，簡單易實現，成本較低，而且精度也較高。但是傳統的基于單片機的舵機控制器存在一個難以調和的矛盾，即輸出PWM多路數和PWM高精度不可兼得，如7路高精度舵機控制器[7-8]，24路低精度舵機控制器[9]和基于74HC595擴展的多路舵機控制器[10]。為解決這一問題，設計了一款基于高性能8位單片機STC15F2K60S2的舵機控制器。

1 PWM舵機控制器硬件設計

1.1 舵機控制原理[11]

舵機一般有3根引線，分別是電源線、地線、信號線。Robo-Soul公司生產的LDX-218舵機所需的電壓為6-7.4V，其中信號線是PWM輸入線，通過改變PWM脈寬可以達到控制舵機轉動角度的目的。如圖1所示，PWM信號周期為20ms，高電平最小為0.5ms，最大為2.5ms，對應電機的轉動角度為0°和180°。

1.2 舵機控制器硬件設計方案

1.2.1 控制芯片選擇

本設計采用宏晶科技公司生產的STC15F2K60S2單時鐘/機器周期（1T）單片機，它是高速、低功耗和超強抗干擾新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快7-12倍；工作頻率為5～35MHz，相當于普通8051的60～420MHz。鑒于舵機控制器需要32路PWM輸出，選擇LQFP44封裝，它具有通用P0、P1、P2、P3和P4五個通用I/0口，不需要外部晶振，通過程序即可設置內部晶振頻率，滿足舵機控制器多I/O口和高執行效率的要求，控制芯片及外圍電路如圖2所示。

1.2.2 串口通訊電路設計

選擇CH340T作為USB轉串口芯片，USB既作為通訊接口，接收上位機傳輸過來的控制信號，同時也給單片機供電。用單片機的串口1作為通訊接口，即P3.0口和P3.1口，其電路圖如3所示。

2 PWM舵機控制器軟件設計

2.1 輸出多路PWM算法實現

2.1.1 多路PWM產生原理

如圖4所示，設置芯片內部晶振頻率為24M，采用1個16位定時器，基準時間是1個機器周期為0.5us。上位機將角度數據轉化為下位機定時器初值。對于0°-180°之間的任意角度可按照（1）式轉換，其中θ為待轉角度，f為下位機晶振頻率，12個時鐘周期（1個機器周期）定時器進行一次減1操作。

2.1.2 軟件設計

上位機主要完成數據預處理工作，包括將角度轉換為下位機定時器初值，對32路PWM定時器初值進行排序，在充分考慮時間和空間復雜度的基礎上選擇插入排序算法[12]按照升序進行排列。

下位機主要完成如下操作步驟：

Step1：將上位機傳輸過來的32路PWM定時器計數值的每1路封裝成1個結構體。

Struct PWM_Tcnt

{

unsigned int count；//計數值

bit flag； //對應的輸出端口

}

Step2：定義一個結構體數組并初始化

Struct PWM_Tcnt PWMOUT[33]；

Step3：按照如下算法更新結構體數組。

PWMOUT[i].count=PWMOUT[i+1].count-PWMOUT[i+1].count，i=1，2...31PWMOUT[32]=2^16-20ms0.5us-PWMOUT[32].count

Step4：將所有PWM輸出口置高，開啟定時中斷。

Step5： 中斷處理任務中關閉定時時間已到的PWM輸出端口，同時更新下一路計數值。

Step6：在周期20ms剩余時間內完成接收上位機數據。

Step7：周期定時20ms時間一到，立即跳轉至Step1。

產生多路PWM信號流程圖分為上位機和下位機，上位機和下位機通過串口1通信，如圖5所示。

2.2 舵機調速方法

舵機屬于位置伺服控制系統，通過改變PWM脈沖寬度對角度實現精確控制，如控制舵機轉動θ角度，此時對應的脈沖寬度為Pw，可以設置脈沖寬度按照階梯型遞增， 如圖6所示。舵機角速度就受脈沖寬度的切換速度控制，進而達到舵機調速目的，其步進值Inc通過N調節，如式（2）。

3 方法驗證

在單片機仿真與開發領域，Proteus 有獨特的優勢，它可以從理論層面驗證可行性，從而縮短開發周期，降低開發成本。仿真實驗中選用AT89C52對8路PWM輸出進行方法驗證，經實驗證明該算法能穩定輸出8路穩定PWM波形，如圖7所示。

4 7自由度持鏡機械臂的舵機控制實驗結果及分析

4.1 舵機控制器試驗結果

為了驗證方案實際控制效果，針對圖8（a）所示的7自由度持鏡機械臂[13-14]樣機進行控制實驗，機械臂的7個自由度分別是機械臂整體上下滑動、肩旋轉、肩擺動、肘旋轉、肘擺動、腕旋轉和腕擺動，如圖8（b）所示。對機械臂的旋轉范圍、定位精度、重復精度[15-16]進行評定，評定結果如表1所示，評定方法如下：

旋轉范圍：PWM脈寬設置為0.5ms和2.5ms，測定關節的旋轉角度，測10次求取平均值。

定位精度：測定脈寬為0.5ms、0.7ms、0.9ms、1.1ms、1.3ms、1.5ms、1.7ms、1.9ms、2.1ms、2.3ms和2.5ms的10組關節旋轉角度數據，定位精度為10次不同位置偏差值的均值。

重復精度：測定同一位置固定轉角10次，其重復精度可按如下公式求得：

4.2 舵機控制器試驗結果分析

實驗結果存在誤差，這些誤差有來源于硬件的，如舵機固有誤差和傳感器誤差等，還有來自PWM生成算法本身的軟件誤差。本文主要分析來源于算法本身的誤差。PWM脈寬的控制精度主要由進入中斷、退出中斷和中斷服務程序處理三段時間的大小決定，其中進入中斷、退出中斷時間相對穩定，可通過修改定時時間彌補和完善；對于中斷服務時間則需要通過高性能芯片盡量縮短中斷服務時間來彌補。本設計采用的芯片PWM是一款廉價高性能單片機、對于工作頻率要求不是很高，如50HZ就能夠達到理想效果。

5 結語

采用高性能單片機STC15F2K60S2作為控制芯片，它能夠最大限度縮短中斷服務處理重裝定時器初值和拉低相應PWM輸出端口程序所耗費的時間，同時它還具有多個I/O口，便于擴展多路PWM輸出的需求。首先對多路PWM脈沖寬度排序，然后置高所有PWM輸出端口，再按照脈寬由窄至寬的順序清零輸出端口，最后所有PWM輸出端口拉低后，再重復上述過程即可實現多路PWM連續輸出。該方法具有多路輸出和高精度的特點，適宜于應用在多舵機控制場合。另外針對于舵機調速只給出引導方法，具體實現還有待進一步研究。

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（責任編輯：江 艷）