用AVR单片机制作廉价高性能的多路伺服电机控制器

廉价高性能的多路伺服电机控制器 文 ／田大鹏 笔 者利用 ATMEL公 司AVR 系列 、 单片机 中的 AT mega16L 的硬 件 资源 设 计 了一 种多路 伺服 电机控 制器 ，该 控制器系统应用广泛 ，具有简单可靠、 适应 性强 、程 序 可移 植 的特 点 。 I 系统简 介 伺服 电机是 一种广 泛用 于机 器人 制作 机 电系统 开发 、航模设 计 制作 以及 一些 科学 研 究的控 制元件 。它 采 用 大 减速 比齿 轮 组和 闭 环控 制 方 式 ， 精度高 ，扭矩 大 ，控 制起来 十分方便 。 根据 伺服 电机 的控制 原理 ，我们 可 以 利 用 单 片 机 产 生 的 脉 宽 调 制 (P WM)信号 对伺服 电机 进行控 制 。本 系统采用ATMEL公司AVR 系列中的 ATmega16 单 片机 设计 了多路 伺服 电 机控制器 。该控制器 可 以控 制 l6 路伺 服 电机 ，同时读取 l4 路开 关量信号 或 6 路开关量 、8 路模 拟量信 号 ，可广泛 用 于各种机 器人 制作 ，机 电产品开 发 以及 科研等 方面 。 2．系统 原理 ： (1) 伺服 电机控制原理 系 统控 制 的 伺服 电机 也 叫舵 机 ， 见 图 l 。顾名 思义 ，就 是航 空航海 以及 各 种汽车模 型 的操舵 电机 。伺服 电机 是一个简单的闭环系统 ，其用于构成 闭环的硬件电路与微型 电机、减速器 封装在 一个 部件 内。输 出轴 可在 控制 信号的控制 下在 一90。- 90。范围 内任 意 运 动 到 某 一个 角 度 位 置 。 伺 服 电 机 有 三 根 引 线 ，分别 是控 制信号 线 ，电源 线和地线 。伺服 电机 的反 馈元 件是一 个 同输 出轴 同轴 的精 密 电位器 。利用 它 ，可 以得 到伺服 电 机输 出轴转 动的 位置 ，以相应 的 电压 值反 馈 回控 制芯 片。芯 片把 电位器反 馈 回的输 出轴 位置 和控制 引线 给定的 位置 信息 比较 ，得到 输出轴位置 偏差 ， 从 而控制 微型 电机转 动 ，使 输 出轴 转 到预 计的位置 。 伺 服 电 机 的 控 制 信 号 是 一 列 PWM 波 。周 期为 l8ms ～20ms。伺服 电机输 出轴 的位置与 P WM 信号 占空 比呈线性 关系 。 当控 制信号 的高 电平 宽 度为 0．5ms时 ，输 出轴 位置 为- 90。； 当信号高电平宽度为 2。5ms 时，输出 轴位置 为 90。。 (2 ) 用单片机控制伺服电机 利用 单片机 控制 伺服 电机 ，可 以 使 用集成 了带有PWM 功能定 时／计数 器。但这种方式有它固有的诸多缺点， 在需要控制的伺服电机 比较多，运动 关系复杂的情况下，这种方式是不适 用的。本系统利用了 ATmega16 单片 机 内部集成 的定 时／计 数器 ，以及 非易 失性存 储介 质 EEPROM 和 UART 接 口设 计 了多路 伺服 电机控 制器 。 控 制器 用 串 口与上 位机 电脑 进行 通信，通过 电脑的串口调试软件发出 指令 ，选择 实时在 线调试 ，批量 发送 动作指令 并存储在单 片机的EEPROM 中，或单片机按照指令自动控制各路 伺服 电机运动。 系统选 用 AT mega16 单 片机 的一 个 8 位计数 器 Timer0 和一个 l6 位计 数器 Timerl 协调工 作 ，利用单 片机 的 I ／O 接 口产 生 出可 以控 制 单 片机 的 PWM信号 。各伺服 电机 可 以协调 地运 动 。这种 控制 方法使得 单 片机有 多少 空余 的 I／O 口，就 能控制 多少路伺 服 电机 。控制 电机 的数量根 据具 体应 用 而定 ，其 余 的 I／O 接 口可 以用 来连接 传感器 等器件 ，利于 功能扩展 。 &硬 件设计 电路 主要包 括 电源 、 单片机最 小 系统、伺服电机接口、RS- 232接 口电 路 、其他 器件接 口等 几个部 分 ，见 图2。 系统采用两种 电源模式：一种是 伺 服 电机 和单 片机 共 用 同一 个...