第14章 舵机控制
本章我们的学习目的主要是了解舵机的驱动原理以及结构组成，并使用STM32将舵机驱动起来。 本章分为如下几个小节：
14.1 舵机的简介以及分类
14.2 舵机的结构
14.3 舵机的工作原理以及控制原理
14.4 舵机的参数介绍
14.5 舵机的控制实现
14.1 舵机的简介以及分类
舵机（Servo）实际上可以看作一个伺服电机，其拥有驱动电路、控制电路，只不过一般舵机工作在一定的角度范围内，最常见的就是180度的舵机，它适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统中。目前在高 档遥控玩具，如飞机、潜艇模型、遥控机器人中已经得到了普遍应用。下图为常见舵机的实物图：
图14.1.1 SG90舵机
舵机按照控制电路分类，可以分为数字舵机和模拟舵机，它们的机械结构是完全一模一样的，其最大的区别体现在控制电路上，数字舵机的伺服控制器采用了数字电路（拥有MCU和晶振)，而模拟舵机的控制器采用的是模拟电路。它们最主要的区别在于：模拟舵机需要给它不停的发送PWM信号，才能让它保持在规定的位置或者让它按照某个速度转动，数字舵机则只需要发送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置。
按照旋转角度可分为180°与360°的舵机，180度舵机只能在0度到180度（±90度）之间运动；360°舵机转动的方式和普通的电机类似，可以连续的转动，不过我们只可以控制它转动的方向和速度，不能调节转动角度。本章我们主要讲解180°的模拟舵机。
14.2 舵机的结构
舵机的结构主要由以下几个部分组成：直流电机、控制电路、角度传感器、输出轴以及减速齿轮组。
角度传感器：用来实现位置反馈的，它会将其旋转后产生的电阻变化信号发送回控制电路，从而监控当前轴旋转的角度；
控制电路：用来驱动电机和接收PWM控制信号以及电位器反馈信号；
减速齿轮组：用来增大直流电机的扭矩。齿轮的材质一般有塑料齿轮、混合材料齿轮和金属齿轮。下面我们来看下舵机结构实物图，如下图所示：
图14.2.1 舵机的结构图
14.3 舵机的工作原理以及控制原理
1.舵机的工作原理：
① 首先由控制电路板接收到信号线的控制信号（一般为PWM信号），进而控制直流电机转动；
② 电机的输出轴和减速齿轮组的轴是相连的，所以只要电机一转动就会带动减速齿轮组转动；
③ 减速齿轮组又和角度传感器连接在一起，所以同时也会带动角度传感器转动；
④ 接着角度传感器会将当前的电压信号反馈到控制电路板，控制电路板会根据反馈的比例电压调节舵机的转动位置，当达到目标位置后停止。可以简单理解舵机内部其实就是一个闭环控制系统。工作流程如下图所示：
图14.3.1 舵机的工作原理图
2.舵机的控制原理：
舵机的输入线共有三条：如下图14.3.2所示，一般棕色表示GND，红色表示VCC，橙色表示信号脚，工作电压一般在4.8 ~ 6V，不同的工作电压对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6V的工作电压对应的力矩要大一些；根据不同的扭矩负载，工作电流可达2A以上。
图14.3.2 舵机接口定义
其中信号线就是控制电路用于接受外部控制信号的，该信号一般周期为20ms（频率：50HZ）的脉宽调制（PWM）信号。并且该脉冲的高电平持续时间为0.5 ~ 2.5ms，对应舵盘旋转角度的0 ~ 180°，所对应的控制关系如下图所示：
图14.3.3 信号脉宽与舵盘位置关系图
从图14.3.3可以看出脉冲宽度与舵机旋转角度呈线性变化关系。也就是说我们只需要不断的提供一个脉冲周期为20ms的PWM信号给舵机，并且控制该脉冲信号的高电平持续时间占比，就可以控制输出轴保持在对应的角度上，注意角度范围不可超过180°。
14.4 舵机的参数介绍
舵机的几个重要指标：
① 响应速度：即在接收到目标位置之后多久才可以转到目标角度，一般舵机为60度每0.17秒，另外根据负载扭矩相应速度也不等。
② 工作死区，死区数值越小，控制精度越高；数值越大，精度越小。
③ 材质：舵机材质一般有塑料齿轮和金属齿轮，金属材质相对的质量更好，价格也更高些。
④ 舵机的扭矩：根据应用场合可从飞行器模型舵机的1.2KG/cm到大扭矩舵机的500~2000KG/cm不等，不过一般扭矩越大舵机消耗电流也越大。
由此可见这类舵机具有以下这些特点：输出力矩大，稳定性好；体积小，易安装；控制简单等。所以现在不仅仅应用于航模运动中，在机器人的关节，飞机的舵面，以及机械手等应用也越来越广泛。
14.5 舵机的控制实现
本小节我们将使用STM32控制舵机转动到指定的角度位置。关于定时器如何输出PWM波的知识，请大家回顾高级定时器PWM输出实验的介绍。
14.5.1 硬件设计
1. 例程功能
G474电机开发板全部有2个舵机接口，分别由TIM8_CH1、TIM8_CH2控制，本实验需要将舵机接入对应的舵机接口，通过按键KEY0设置控制哪个接口的舵机，KEY1增加舵机角度，最大180°，KEY2减小舵机，角度最小0°，LED0作为程序运行状态指示灯，闪烁周期200ms。
2. 硬件资源
1） LED灯：LED0 – PE0
2） 独立按键
KEY0 – PE12
KEY1 – PE13
KEY2 – PE14
3） 定时器8通道1，将TIM8_CH1输出到PC6。
定时器8通道2，将TIM8_CH2输出到PC7。
4） 舵机
3. 原理图
开发板设计了2组舵机接口，支持板载5V供电（因为舵机所需电流较大，所以建议使用DC口供电），原理图如下图：
图14.5.1.1 开发板舵机接口原理图
图14.5.1.1中的P8的SRV+，是为舵机供电用的，它的来源可以选择板载VCC5（5V）供电，也可选择外部电源接入供电（针对驱动电压比较高的舵机，比如一些12V驱动的舵机）。在本实验我们选择板载电源供电，所以首先我们需要使用跳线帽将SRV+与VCC5接一起。开发板全部有2个舵机接口，其中SERVOx（x = 1或2）接舵机的信号线（通常信号线为橙色线），SRV+接舵机的电源正极（通常是红色线），GND接电源负极（通常为棕色线）。
主要特别注意的点是舵机控制信号SERVO1~2并不是直接控制舵机，而是经过电平转换来控制舵机，这样既隔离了IO，又可以控制各种不同电平的舵机。电平转换电路实际就是一个反向器，因为是反向器，所以控制电平需要反过来，比如要给舵机一个周期20ms的脉冲信号且高电平的持续时间为2ms，那么控制信号实际需要输出2ms低电平+18ms高电平。
定时器属于STM32G474的内部资源，只需要软件设置好即可正常工作。外部需要将舵机接入对应开发板的舵机接口，同时还使用按键KEY0、KEY1、KEY2进行控制。我们这里接了三个舵机（只有一个舵机的话可接到其中一个接口）实物连接图如下：
图14.5.1.2 实物连接图
14.5.2 程序设计
14.5.2.1 定时器的HAL库驱动
本实验用到的HAL库驱动请回顾高级定时器PWM输出实验的介绍。下面介绍一下舵机控制的配置步骤。
舵机控制的配置步骤
1）开启TIMx和通道输出的GPIO时钟，配置该IO口的复用功能输出。
首先开启TIMx的时钟，然后配置GPIO为复用功能输出。本实验我们默认用到定时器8通道1、通道2，对应IO分别是PC6、PC7，它们的时钟开启方法如下：
__HAL_RCC_TIM8_CLK_ENABLE(); /* 使能定时器8 */ __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); /* 开启GPIOC时钟 */
IO口复用功能是通过函数HAL_GPIO_Init来配置的。
2）初始化TIMx，设置TIMx的ARR和PSC等参数。
使用定时器的PWM模式功能时，我们调用的是HAL_TIM_PWM_Init函数来初始化定时器ARR和PSC等参数。
注意：该函数会调用HAL_TIM_PWM_MspInit函数来完成对定时器底层以及其输出通道IO的初始化，包括：定时器及GPIO时钟使能、GPIO模式设置、中断设置等。
3）设置定时器为PWM模式，输出比较极性，比较值等参数。
在HAL库中，通过HAL_TIM_PWM_ConfigChannel函数来设置定时器为PWM1模式或者PWM2模式，根据需求设置输出比较的极性，设置比较值（控制占空比）等。
本实验我们设置TIM8的通道1、2为PWM2模式，比较值我们设置为：0.5/20*(arr+1)，即默认设置PWM波的占空比为2.5%，也就是0.5ms的脉宽，对应的舵机舵盘位置为0°。
14.5.2.2 程序流程图
图14.5.2.2 舵机控制流程图
14.5.2.3 程序解析
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。舵机的控制源码主要有：高级定时器驱动源码和舵机角度设置源码四个文件：atim.c和atim.h以及steering_engine.c和steering_engine.h。源码中有明确的注释。
首先看atim.h头文件的几个宏定义：
/********************** 高级定时器 PWM输出实验相关宏定义 ************************/
/* TIMX PWM输出定义 */
#define ATIM_TIMX_PWM_CH1_GPIO_PORT GPIOC
#define ATIM_TIMX_PWM_CH1_GPIO_PIN GPIO_PIN_6
#define ATIM_TIMX_PWM_CH1_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PC口时钟使能 */
#define ATIM_TIMX_PWM_CH2_GPIO_PORT GPIOC
#define ATIM_TIMX_PWM_CH2_GPIO_PIN GPIO_PIN_7
#define ATIM_TIMX_PWM_CH2_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PC口时钟使能 */
/* TIMX 引脚复用设置
* 因为PC6/PC7默认并不是TIM8的功能脚,必须开启复用,PC6/PC7才能用作TIM8的PWM输出引脚
*/
#define ATIM_TIMX_PWM_CHY_GPIO_AF GPIO_AF4_TIM8
#define ATIM_TIMX_PWM TIM8
#define ATIM_TIMX_PWM_IRQn TIM8_UP_IRQn
#define ATIM_TIMX_PWM_IRQHandler TIM8_UP_IRQHandler
#define ATIM_TIMX_PWM_CH1 TIM_CHANNEL_1 /* 通道1 */
#define ATIM_TIMX_PWM_CH2 TIM_CHANNEL_2 /* 通道2 */
#define ATIM_TIMX_PWM_CHY_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_TIM8_CLK_ENABLE(); }while(0) /* TIM8 时钟使能 */
可以把上面的宏定义分成两部分，第一部分是定时器8输入通道1、2对应的IO口的宏定义，第二部分则是定时器8输入通道1、2的相应宏定义。下面我们来看下atim.c程序。
/**
* @brief 高级定时器TIMX PWM 初始化函数
* @note
* 高级定时器的时钟来自APB2,而PCLK2 = 170Mhz,我们设置PPRE2不分频,因此
* 高级定时器时钟 = 170Mhz
* 定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / Ft us.
* Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
*
* @param arr: 自动重装值
* @param psc: 时钟预分频数
* @retval 无
*/
void atim_timx_pwm_chy_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
ATIM_TIMX_PWM_CHY_CLK_ENABLE(); /* TIMX 时钟使能 */
ATIM_TIMX_PWM_CH1_GPIO_CLK_ENABLE(); /* IO时钟使能 */
ATIM_TIMX_PWM_CH2_GPIO_CLK_ENABLE(); /* IO时钟使能 */
g_atimx_pwm_chy_handle.Instance = ATIM_TIMX_PWM; /* 定时器x */
g_atimx_pwm_chy_handle.Init.Prescaler = psc; /* 定时器分频 */
g_atimx_pwm_chy_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
g_atimx_pwm_chy_handle.Init.Period = arr; /* 自动重装载值 */
g_atimx_pwm_chy_handle.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
g_atimx_pwm_chy_handle.Init.AutoReloadPreload =
TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; /*使能TIMx_ARR进行缓冲*/
g_atimx_pwm_chy_handle.Init.RepetitionCounter = 0; /* 开始时不计数*/
HAL_TIM_PWM_Init(&g_atimx_pwm_chy_handle); /* 初始化PWM */
g_atimx_oc_pwm_chy_handle.OCMode = TIM_OCMODE_PWM2; /* 模式选择PWM2 */
g_atimx_oc_pwm_chy_handle.Pulse = 0.5/20*(arr+1);
/* 输出比较极性为高 */
g_atimx_oc_pwm_chy_handle.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
g_atimx_oc_pwm_chy_handle.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
g_atimx_oc_pwm_chy_handle.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
g_atimx_oc_pwm_chy_handle.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
g_atimx_oc_pwm_chy_handle.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_atimx_pwm_chy_handle,
&g_atimx_oc_pwm_chy_handle, ATIM_TIMX_PWM_CH1); /* 配置TIMx通道y */
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_atimx_pwm_chy_handle,
&g_atimx_oc_pwm_chy_handle, ATIM_TIMX_PWM_CH2); /* 配置TIMx通道y */
/* 开启对应PWM通道 */
HAL_TIM_PWM_Start(&g_atimx_pwm_chy_handle, ATIM_TIMX_PWM_CH1);
HAL_TIM_PWM_Start(&g_atimx_pwm_chy_handle, ATIM_TIMX_PWM_CH2);
}
HAL_TIM_PWM_Init初始化TIM8并设置TIM8的ARR和PSC等参数，然后通过调用函数HAL_TIM_PWM_ConfigChannel设置TIM8_CH1\2的PWM模式以及比较值等参数，最后通过调用函数HAL_TIM_PWM_Start来使能TIM8以及使能PWM通道TIM8_CH1\2输出。通道的GPIO口初始化和定时器使能等程序放到回调函数HAL_TIM_PWM_MspInit中这里就不贴代码了，感兴趣打开源码看看。接着我们来看下steering_engine.c，首先看角度转比较值函数。
/**
* @brief 舵机角度转定时器比较值
* @param angle:角度
* @retval 定时器装比较值
*/
uint16_t angle_to_tim_val(float angle)
{
uint16_t ret;
if((angle < 0)||(angle > 180))
{
ret = 0;
}
else
{
/* 0° -- 500，45° -- 1000，90° -- 1500，135° -- 2000，180° -- 2500 */
ret = 1500 + (int)((float)((angle - 90) * 100 / 9));
if((ret < 500)||(ret > 2500))
{
ret = 0;
}
}
return ret;
}
这个函数主要功能就是把角度值转换成定时器的比较值，我们前面介绍讲过舵机的旋转角度和脉宽成线性关系，比较值决定脉宽时间，所以我们这里把要转动的角度转成比较值控制脉宽时间，从而达到控制舵机旋转角度。接着看下一个舵机角度的设置函数。
/**
* @brief 舵机角度设定
* @param id:舵机编号对应舵机的接口：1~3
* @param angle:角度
* @retval 0:成功
*/
uint8_t servo_angle_set(uint8_t id,float angle)
{
uint16_t val;
switch(id)
{
case 1:
val = angle_to_tim_val(angle); /* 得到角度转换的比较值 */
if(val != 0)
{
/* 设置比较值 */
__HAL_TIM_SetCompare(&g_atimx_pwm_chy_handle,TIM_CHANNEL_1,val);
}
break;
case 2:
val = angle_to_tim_val(angle);
if(val != 0)
{
__HAL_TIM_SetCompare(&g_atimx_pwm_chy_handle,TIM_CHANNEL_2,val);
}
break;
default:
break;
}
return 0;
}
由于我们的开发板有三个舵机接口，所以我们写的这个函数有一个id判断，id:1、2，分别控制舵机接口1、2，想要控制哪个接口的舵机就选择哪个id即可，然后第二个参数设置我们要舵机旋转的角度值，里边会调用到角度转比较值函数，然后我们将返回的数值，设置到定时器的比较值，即可完成脉宽时间的设置，控制舵机旋转对应角度。
在main函数里面编写如下代码：
int main(void)
{
uint8_t key, t, id = 1;
char buf[32];
float angle[2] = {0}; /* 初始化角度0° */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(85, 2, 2, 4, 8); /* 设置时钟,170Mhz */
delay_init(170); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 初始化串口 */
led_init(); /* 初始化LED */
key_init(); /* 初始化按键 */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
/* 1Mhz的计数频率，计数20000次为20ms */
atim_timx_pwm_chy_init(20000 - 1, 170 - 1);
/* 显示提示信息 */
lcd_show_string(10,10,200,16,16,"Servo Test",RED);
lcd_show_string(10,30,200,16,16,"KEY0:ID + +",RED);
lcd_show_string(10,50,200,16,16,"KEY1:Angle + ",RED);
lcd_show_string(10,70,200,16,16,"KEY2:Angle - ",RED);
lcd_show_string(10,90,200,16,16,"Servo ID: 1",BLUE);
printf("KEY0 选择控制的舵机接口\r\n");
printf("KEY1 舵机旋转角度+45°\r\n");
printf("KEY2 舵机旋转角度-45°\r\n");
while (1)
{
if (t % 10 == 1)
{
sprintf(buf,"Servo 1: %.1f",angle[0]);
lcd_show_string(10,110,200,16,16,buf,BLUE);
sprintf(buf,"Servo 2: %.1f",angle[1]);
lcd_show_string(10,130,200,16,16,buf,BLUE);
}
key = key_scan(0);
if (key == KEY0_PRES)
{
id++;
if (id == 3)
{
id = 1;
}
/* 按下KEY0：选择控制哪个舵机，并显示当前ID */
sprintf(buf,"Servo ID: %1d",id);
lcd_show_string(10,90,200,16,16,buf,BLUE);
printf("所选舵机接口为%d\r\n",id);
}
else if (key == KEY1_PRES)
{
angle[id - 1] += 45;
if (angle[id - 1] > 180)
{
angle[id - 1] = 180;
}
servo_angle_set(id,angle[id - 1]);
/* 控制该ID的舵机，并设置角度值 */
printf("Servo 1: %.1f\r\n",angle[0]);
printf("Servo 2: %.1f\r\n",angle[1]);
printf("\r\n");
}
else if (key == KEY2_PRES)
{
angle[id - 1] -= 45;
if(angle[id - 1] < 0)
{
angle[id - 1] = 0;
}
/* 控制该ID的舵机，并设置角度值 */
servo_angle_set(id,angle[id - 1]);
printf("Servo 1: %.1f\r\n",angle[0]);
printf("Servo 2: %.1f\r\n",angle[1]);
printf("\r\n");
}
t++;
if (t % 20 == 0)
{
LED0_TOGGLE(); /* LED0(红灯) 翻转 */
}
delay_ms(10);
}
}
先看atim_timx_pwm_chy_init(20000 - 1, 170 - 1)这个语句，这两个形参分别设置自动重载寄存器的值为20000，以及定时器预分频系数为170。先看预分频系数，我们设置为170分频，然后定时器8的时钟是1倍的APB2，即170MHz，可以得到计数器的计数频率是1MHZ，也就是计数一次1us，我们计数20000次就是20ms，符合我们控制舵机的脉冲周期要求，通过按键设置比较值控制脉宽时间；然后LCD显示一些提示信息包括当前id以及当前控制舵机的角度值；注意需提前将舵机接入对应的舵机接口。按键功能如下：按键KEY0用于设置控制某个接口的舵机；KEY1增加舵机旋转角度，最大到180°；KEY2减小舵机旋转角度，最小到0°。LED0周期闪烁提示程序正在运行。
14.5.3 下载验证
下载代码后，可以看到LED0每隔200ms左右闪烁一次，LCD显示当前所控制的舵机接口号以及舵机旋转角度，当我们按下KEY0选择控制哪个舵机接口，按下KEY1将舵机旋转角度每次加45°，最大到180°；按下KEY2将舵机旋转角度每次减45°，最小到0°。同时我们也可以不接舵机，使用示波器查看输出波形的脉宽时间。
下面我们使用正点原子DS100手持数字示波器，把舵机接口一的控制信号引脚连接至示波器通道，看波形截获，具体如下：
图14.5.3.1 舵机接口一旋转90°的波形图
可以看到当控制舵机旋转90°时，脉冲频率50HZ（20ms），脉宽1.5ms和我们前面介绍的完全一致，大家可以自己尝试测量看看。
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