自动控制小车转向机构控制技术研究与实现

　　摘 要：文章采用 STC12C5202AD 单片机来实现 PWM 输出控制，控制舵机的转动，从而实现线控小车的转向控制。结果表明舵机的转角范围达到-90°到 90°，且线性度较好，小车转向稳定，控制精度较高，达到控制目的。

　　关键词：转向机构;舵机;自动控制

　　1、舵机工作原理

　　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信号，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[3]。舵机调速是通过对脉冲信号的占空比进行控制，占空比大，相应获得的电压就大，转速快[4];反之亦然。舵机电压通常介于 4V～6V，一般取 5V。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，可通过单片机 I/O 口对其进行控制。方波脉冲信号周期为 20ms(频率为 50Hz)。当方波脉冲宽度改变时，舵机转轴角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。以 180°角度伺服为例，对应关系如下： 0.5ms～-90°、1ms～-45°、1.5ms～0°、2ms～45°、2.5ms～ 90°，因此，PWM 与舵机转角呈线性变化，即给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供下一个宽度的脉冲信号，才会改变输出角度。

　　2、单片机控制

　　对于线控小车系统来说，采用 STC12C5202AD 单片机来实现 PWM 输出控制，使端口输出的 PWM 信号脉冲宽度实现毫秒级甚至微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机系统实现对小车舵机输出转角的控制，要产生 20ms 的 PWM 周期信号，并对脉宽进行调整，借以调整占空比。小车舵机如图 1 所示。

　　2.1 应用两个定时器当系统中的定时/计数器资源足够使用，所控制的舵机只有一个时，可将 20ms 定时分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。如要让舵机左转 45°，它的正脉冲为 2ms，则负脉冲为 20ms-2ms=18ms。首先向控制口发送 2ms 高电平，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为 18ms，如此往复实现 PWM 信号输出到舵机。如系统晶振频率选择 22.1184MHz，采用 T0 的方式 0 实现 2ms 高电平输出，采用 T1 的方式 1 实现 18ms 低电平定时输出，采用中断方式由 P2.5 口输出高低电平。

　　2.2 应用一个定时器若采用一个定时器 T0，系统主频仍为 22.1184MHz，可将 20ms 周期 PWM 脉冲分成 200 份，每一份为 0.1ms，采用中断方式，定时器 T0 工作方式 1，2ms 高电平输出即为中断 20 次，并输出 20 次高电平，18ms 低电平输出即为中断 180 次，并输出 180 次低电平，采用一个定时器如果对定时时间进行细分，可将 20ms 的 PWM 周期信号分为 2000 份，每一份定时时间为 0.01ms，这样定时输出的效果更明显，对舵机角度的控制也可做的更精确，也能实现同时对多个舵机的控制。如果系统中需要控制几个舵机的准确转动，可以用单片机和计数器进行脉冲计数产生 PWM 信号。脉冲计数可以利用 5l 单片机的内部计数器来实现，但是从软件系统的稳定性和程序结构的合理性看，最好使用外部的计数器实现。

　　3、结束语

　　随着控制技术的不断发展，人们对自动控制系统的精度要求越来越高。在小车控制系统中，采用了 STC12C5202AD 单片机产生 PWM 信号，方便地实现了舵机控制。对线控小车的测试表明，控制系统工作稳定，PWM 占空比(0.5～2.5ms 的正脉冲宽度)和舵机的转角(-90°～90°)线性度较好，小车转向稳定，控制精度较高。

　　参考文献

　　[1] 杨平. 双余度无刷直流电机控制系统设计及性能研究[D]. 西安：西北工业大学,2005.3.

　　[2] 蒋亚峰. 舵机系统控制算法及性能改进[D].西安：西安电子科技大学,2009.1.

　　《自动控制小车转向机构控制技术研究与实现》来源：《汽车实用技术》，作者：隋美丽 ，夏征 ，付贻伟 ，王楠。

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