基于STM32的多型號舵機調(diào)試器設計*

王世偉 楊 越 高 城 江匯洋

(淮南師范學院機械與電氣工程學院 安徽淮南 232038)

舵機以其調(diào)試方便、控制簡單和精度高的優(yōu)勢，被廣泛應用到了小型機器人位姿調(diào)試和航模飛行姿態(tài)調(diào)試之中[1]。為了實現(xiàn)精確的姿態(tài)控制，就必須提高舵機角度控制的精度，基于此，學者們研究出了多種性能優(yōu)異的控制系統(tǒng)，并設計制作出了不同的舵機調(diào)試器[2-7]。但是，現(xiàn)有舵機工作電壓一般為5V～8.4V，而且舵機調(diào)節(jié)參數(shù)也不相同，因此為實現(xiàn)不同類型舵機的快速調(diào)試，需設計一種新型的舵機調(diào)試器。文章以STM32單片機為核心，設計了一種高精度舵機調(diào)試器，實現(xiàn)了不同類型舵機的同時調(diào)試。

1舵機控制原理

舵機是一種角位置伺服電機，一般通過脈寬調(diào)制(PWM)信號進行控制，由電機、減速器、電位器和控制電路四部分組成，通過輸出端的電位器檢測轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)精確地角度轉(zhuǎn)動控制[8-9]。圖1為舵機的控制原理框圖，由調(diào)試器所產(chǎn)生的PWM信號通過舵機的控制信號線傳送至控制電路后，舵機輸出軸會轉(zhuǎn)動至對應角度，該角度與PWM信號的脈寬成正比。

圖1 舵機控制原理圖

以180°舵機為例，轉(zhuǎn)角從-90°～+90°之間變化，則相應控制脈寬為0.5ms～2.5ms，控制脈寬為1.5ms時，輸出軸轉(zhuǎn)角為0°。

2調(diào)試器硬件設計

為了實現(xiàn)不同型號舵機角度的同時調(diào)試，文章以STM32單片機為核心，設計舵機調(diào)試器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，以調(diào)壓電路實現(xiàn)舵機驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)，以按鍵電路實現(xiàn)舵機通道選擇和功能確認。

圖2 舵機調(diào)試器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1主控電路設計

舵機調(diào)試器采用意法半導體集團生產(chǎn)32位單片機STM32F103RBT6微調(diào)試器作為控制芯片。

該單片機內(nèi)核為ARM公司的高性能Cortex-M3，數(shù)據(jù)的運算能力為1.25DMips/MHz，同時配備有1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度，而且功耗非常低?；诖?，文章設計了如圖3所示的主控電路，并且為了提高定時器精度，實現(xiàn)對舵機角度的高精度控制，外接了8M晶振。

圖3 STM32主控部分電路

2.2電源電路

舵機調(diào)試器電源電路部分如圖4所示，采用外部供電方式，STM32F103RBT6型單片機的供電電壓為2.0V～3.6V，因此選用高性能線性穩(wěn)壓器AMS1117。舵機供電電路采用簡單高效的降壓調(diào)節(jié)器LM2576TV-ADJ，實現(xiàn)對串口舵機的電壓調(diào)節(jié)。

圖4 電源電路

2.3去耦電路

為了降低元件耦合到電源端的噪聲，間接減少其他元件受此元件噪聲的影響，在穩(wěn)壓器AMS1117端設計了如圖5所示的去耦電路，使用電容保證穩(wěn)定的供電電壓。

圖5 去耦電路

2.4其他電路設計

顯示電路采用節(jié)能型OLED顯示器，與LCD相比，OLED具有不需要背光，而且能夠主動發(fā)光，在很大視角范圍內(nèi)畫面是不會顯示失真的優(yōu)點，其上下左右四個視角寬度超過170°。

舵機以串行形式接入到舵機調(diào)試器中，如圖6(a)所示為舵機引腳外接排針電路。為了實現(xiàn)復位功能，避免出現(xiàn)故障無法消除，設計了如圖6(b)復位電路。

圖6 舵機串口電路

3舵機調(diào)試器軟件設計

舵機調(diào)試器軟件設計采用C語言編程，在Keil5集成開發(fā)環(huán)境下進行編譯，主要包括初始化參數(shù)設定、通道選擇、OLED顯示和電壓調(diào)節(jié)等功能實現(xiàn)，調(diào)試器控制流程如圖7所示。

圖7 舵機調(diào)試器主程序流程圖

4實驗驗證

為驗證所設計舵機調(diào)試器的功能，研制了如圖8(a)所示的舵機調(diào)試器樣機，并搭建了如圖8(b)所示的串口輸出波形檢測實驗環(huán)境和如圖8(c)所示的不同類型舵機實際角度精確控制實驗環(huán)境。

圖8 實驗樣機與實驗環(huán)境

4.1正角度控制實驗

通過舵機調(diào)試器控制，4個舵機角度依次為0°、30°、60°和90°，控制效果如圖9(a)所示，各角度所對應的示波器檢測波形如圖9(b)所示。

圖9 正角度值實驗驗證

4.2負角度控制實驗

通過舵機調(diào)試器控制，4個舵機角度依次為0°、-30°、-60°和-90°，控制效果如圖10(a)所示，各角度所對應的示波器檢測波形如圖10(b)所示。

圖10 負角度值實驗驗證

由圖9和圖10所示的正負角度控制效果可以看出，文章所設計的舵機調(diào)試器能夠同時實現(xiàn)不同型號舵機的精確角度控制。

5結(jié)論

文章針對不同型號舵機的精確控制問題，設計了一種基于STM32單片機的舵機調(diào)試器的軟件和硬件，并制作了調(diào)試器樣機，進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，文章所設計的舵機調(diào)試器能夠?qū)崿F(xiàn)不同型號舵機的精確角度控制，解決了實際應用中的舵機控制問題。