4. 舵机控制¶

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。

4.1. 舵机结构¶

舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、比例电位器(位置反馈电位计)、直流电机(马达)、控制电路板等。常见的舵机内部结构如下图所示。

4.2. 舵机工作原理¶

舵机内部的电子控制板对外接收控制信号，控制板处理控制信号后获得直流偏置电压。在控制板内部又有一个基准电路，它产生周期为 20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

4.3. 舵机控制原理¶

舵机的输入有三根线，一般的中间的红色线为电源正极，咖啡色线的为电源负极，黄色色线为控制线号线。如下图所示。

舵机的控制通常采用PWM信号，例如需要一个周期为20ms的脉冲宽度调制（PWM），脉冲宽度部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。当脉冲宽度为1.5ms时，舵机旋转至中间角度，大于1.5ms时舵机旋转角度增大，小于1.5ms时舵机旋转角度减小。舵机分90°、180°、270°和360°舵机，以180°的舵机为例来看看脉冲宽度与角度的关系，见下图所示。

上图中脉冲宽度与舵机旋转角度为线性关系，其他舵机控制脉冲也类似，0.5ms对应0度，2.5ms对应最大旋转角度，脉冲宽度与旋转角度也是线性关系。

4.4. 舵机几个参数介绍¶

舵机速度的单位是sec/60°，已就是舵机转过60°需要的时间，如果控制脉冲变化宽度大，变化速度快，舵机就有可能在一次脉冲的变化过程中还没有转到目标角度时，而脉冲就再次发生了变化，舵机的转动速度一般有0.16sec/60°、0.12sec/60°等，0.16sec/60°就是舵机转动60°需要0.16秒的时间。舵机的速度还有工作电压有关，在允许的电压范围内，电压越大速度越快，反之亦然。

舵机扭矩的单位是KG*CM，这是一个扭矩的单位，可以理解为在舵盘上距离舵机轴中心水平距离1CM处，舵机能够带动的物体重量，如下图所示。

通常说的55g舵机、9g舵机等，这里的55g和9g指的是舵机本身的重量。

4.5. 舵机控制实现¶

4.5.1. 硬件设计¶

介绍电路和舵机

4.5.2. 软件设计¶

这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。我们创建了四个文件：bsp_general_tim.c、bsp_general_tim.h文件用来存定时器驱动和舵机控制程序及相关宏定义

4.5.2.1. 编程要点¶

定时器 IO 配置
定时器时基结构体TIM_TimeBaseInitTypeDef配置
定时器输出比较结构体TIM_OCInitTypeDef配置
封装一个舵机角度控制函数
在main函数中编写按键舵机控制代码

定时器复用功能引脚初始化¶

/*宏定义*/
#define GENERAL_TIM                         TIM4
#define GENERAL_TIM_GPIO_AF                 GPIO_AF2_TIM4
#define GENERAL_TIM_CLK_ENABLE()                                    __TIM4_CLK_ENABLE()

#define PWM_CHANNEL_1                       TIM_CHANNEL_1
//#define PWM_CHANNEL_2                       TIM_CHANNEL_2
//#define PWM_CHANNEL_3                       TIM_CHANNEL_3
//#define PWM_CHANNEL_4                       TIM_CHANNEL_4

/* 累计 TIM_Period个后产生一个更新或者中断*/
/* 当定时器从0计数到PWM_PERIOD_COUNT，即为PWM_PERIOD_COUNT+1次，为一个定时周期 */
#define PWM_PERIOD_COUNT     999

/* 通用控制定时器时钟源TIMxCLK = HCLK/2=84MHz */
/* 设定定时器频率为=TIMxCLK/(PWM_PRESCALER_COUNT+1) */
#define PWM_PRESCALER_COUNT     1679

/*PWM引脚*/
#define GENERAL_TIM_CH1_GPIO_PORT           GPIOD
#define GENERAL_TIM_CH1_PIN                 GPIO_PIN_12

//#define GENERAL_TIM_CH2_GPIO_PORT           GPIOD
//#define GENERAL_TIM_CH2_PIN                 GPIO_PIN_13

使用宏定义非常方便程序升级、移植。如果使用不同的定时器IO，修改这些宏即可。

定时器复用功能引脚初始化

定时器复用功能引脚初始化¶

static void TIMx_GPIO_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  /* 定时器通道功能引脚端口时钟使能 */

  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  /* 定时器通道1功能引脚IO初始化 */
  /*设置输出类型*/
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
  /*设置引脚速率 */
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  /*设置复用*/
  GPIO_InitStruct.Alternate = GENERAL_TIM_GPIO_AF;

  /*选择要控制的GPIO引脚*/
  GPIO_InitStruct.Pin = GENERAL_TIM_CH1_PIN;
  /*调用库函数，使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO*/
  HAL_GPIO_Init(GENERAL_TIM_CH1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

定时器通道引脚使用之前必须设定相关参数，这选择复用功能，并指定到对应的定时器。使用GPIO之前都必须开启相应端口时钟。

定时器模式配置¶

TIM_HandleTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
static void TIM_PWMOUTPUT_Config(void)
{
  TIM_OC_InitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

  /*使能定时器*/
  GENERAL_TIM_CLK_ENABLE();

  TIM_TimeBaseStructure.Instance = GENERAL_TIM;
  /* 累计 TIM_Period个后产生一个更新或者中断*/
  //当定时器从0计数到PWM_PERIOD_COUNT，即为PWM_PERIOD_COUNT+1次，为一个定时周期
  TIM_TimeBaseStructure.Init.Period = PWM_PERIOD_COUNT;
  // 通用控制定时器时钟源TIMxCLK = HCLK/2=84MHz
  // 设定定时器频率为=TIMxCLK/(PWM_PRESCALER_COUNT+1)
  TIM_TimeBaseStructure.Init.Prescaler = PWM_PRESCALER_COUNT;

  /*计数方式*/
  TIM_TimeBaseStructure.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  /*采样时钟分频*/
  TIM_TimeBaseStructure.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  /*初始化定时器*/
  HAL_TIM_Base_Init(&TIM_TimeBaseStructure);

  /*PWM模式配置*/
  TIM_OCInitStructure.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;      // 配置为PWM模式1
  TIM_OCInitStructure.Pulse = 0.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT;    // 默认占空比
  TIM_OCInitStructure.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  /*当定时器计数值小于CCR1_Val时为高电平*/
  TIM_OCInitStructure.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;

  /*配置PWM通道*/
  HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM_TimeBaseStructure, &TIM_OCInitStructure, PWM_CHANNEL_1);
  /*开始输出PWM*/
  HAL_TIM_PWM_Start(&TIM_TimeBaseStructure,PWM_CHANNEL_1);
}

首先定义两个定时器初始化结构体，定时器模式配置函数主要就是对这两个结构体的成员进行初始化，然后通过相应的初始化函数把这些参数写入定时器的寄存器中。有关结构体的成员介绍请参考定时器详解章节。

不同的定时器可能对应不同的APB总线，在使能定时器时钟是必须特别注意。通用控制定时器属于APB1，定时器内部时钟是84MHz。

在时基结构体中我们设置定时器周期参数为PWM_PERIOD_COUNT（999），频率为50Hz，使用向上计数方式。因为我们使用的是内部时钟，所以外部时钟采样分频成员不需要设置，重复计数器我们没用到，也不需要设置，然后调用HAL_TIM_Base_Init初始化定时器。

在输出比较结构体中，设置输出模式为PWM1模式，通道输出高电平有效，设置默认脉宽为PWM_PERIOD_COUNT， PWM_PERIOD_COUNT是我们定义的一个宏，用来指定占空比大小，实际上脉宽就是设定比较寄存器CCR的值，用于跟计数器CNT的值比较。然后调用HAL_TIM_PWM_ConfigChannel初始化PWM输出。

最后使用HAL_TIM_PWM_Start函数让计数器开始计数和通道输出。

设置定时器占空比¶

void set_steering_gear_dutyfactor(uint16_t dutyfactor)
{
  #if 1
  {
    /* 对超过范围的占空比进行边界处理 */
    dutyfactor = 0.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT > dutyfactor ? 0.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT : dutyfactor;
    dutyfactor = 2.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT < dutyfactor ? 2.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT : dutyfactor;
  }
  #endif

  TIM2_SetPWM_pulse(PWM_CHANNEL_1, dutyfactor);
}

封装一个舵机占空比设置函数，接收一个参数用于设置PWM的占空比，并对输入的参数进行合法性检查，将脉冲宽度限制在0.5~2.5ms之间。

设置舵机角度¶

void set_steering_gear_angle(uint16_t angle_temp)
{
  angle_temp = (0.5 + angle_temp / 180.0 * (2.5 - 0.5)) / 20.0 * PWM_PERIOD_COUNT;    // 计算角度对应的占空比

  set_steering_gear_dutyfactor(angle_temp);    // 设置占空比
}

该函数用于设置舵机角度，传入角度值然后计算占空比，最后条用set_steering_gear_dutyfactor()来设置占空比。

串口控制¶

void deal_serial_data(void)
{
  int angle_temp=0;

  //接收到正确的指令才为1
  char okCmd = 0;

  //检查是否接收到指令
  if(receive_cmd == 1)
  {
    if(UART_RxBuffer[0] == 'a' || UART_RxBuffer[0] == 'A')
    {
      //设置速度
      if(UART_RxBuffer[1] == ' ')
      {
        angle_temp = atoi((char const *)UART_RxBuffer+2);
        if(angle_temp>=0 && angle_temp <= 180)
        {
          printf("\n\r角度: %d\n\r", angle_temp);
          angle_temp = (0.5 + angle_temp / 180.0 * (2.5 - 0.5)) / 20.0 * PWM_PERIOD_COUNT;
          ChannelPulse = angle_temp;    // 同步按键控制的比较值
          set_steering_gear_angle(angle_temp);

          okCmd = 1;
        }
      }
    }
    else if(UART_RxBuffer[0] == '?')
    {
      //打印帮助命令
      show_help();
      okCmd = 1;
    }
    //如果指令有无则打印帮助命令
    if(okCmd != 1)
    {
      printf("\n\r 输入有误，请重新输入...\n\r");
      show_help();
    }

    //清空串口接收缓冲数组
    receive_cmd = 0;
    uart_FlushRxBuffer();

  }
}

以上为串口接收处理函数，接收正确的指令后将字符串计算出正确的角度值，判断角度值是否是在有效范围内，同步按键调节的占空比防止按钮调节时转动范围过大。

main函数¶

int main(void)
{
  /* HAL 库初始化 */
  HAL_Init();

  /* 初始化系统时钟为168MHz */
  SystemClock_Config();

  /* 初始化按键GPIO */
  Key_GPIO_Config();

  /* 初始化串口 */
  DEBUG_USART_Config();

  /* 通用定时器初始化并配置PWM输出功能 */
  TIMx_Configuration();

  printf("野火舵机控制实验\r\n");

  show_help();

  while(1)
  {
    /* 处理数据 */
    if (Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT, KEY1_PIN) == KEY_ON)
    {
      ChannelPulse -= 10;    // 减少占空比

      ChannelPulse = 0.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT > ChannelPulse ? 0.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT : ChannelPulse;    // 检查占空比的合法性

      set_steering_gear_dutyfactor(ChannelPulse);    // 设置占空比
    }

    /* 处理数据 */
    if (Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT, KEY2_PIN) == KEY_ON)
    {
      ChannelPulse += 10;    // 增加占空比

      ChannelPulse = (2.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT) < ChannelPulse ? (2.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT) : ChannelPulse;    // 检查占空比的合法性

      set_steering_gear_dutyfactor(ChannelPulse);    // 设置占空比
    }

    /* 串口处理 */
    deal_serial_data();
  }
}

初始化串口、定时器输出PWM和按键等外设，最后在循环里面处理按键和串口接收的数据。当KEY1按下后，减少占空比，并检查占空比是否在有效范围内，然后设置占空比，当KEY2按下后，增加占空比，并检查占空比是否在有效范围内，然后设置占空比。最后调用deal_serial_data()来处理串口接收的函数。

4.5.3. 下载验证¶

如果有条件的话，这里我们先不连接舵机，先通过示波器连接到开发板的PWM输出引脚上，通过示波器来观察PWM 的变化情况：

使用DAP连接开发板到电脑；
使用示波器的CH1连接到PA15，注意示波器要与开发板共地；
给开发板供电，编译下载配套源码，复位开发板。

上电后我们通过示波器可以观察到CH1通道的PWM波形，当按下KEY1或者KEY2时，可以改变CH1通道的占空比，如下图所示。

经过验证可以知道我们的PWM脉冲宽度是在0.5~2.5ms之间变化。这正是我们想要的结果，这说明我们的代码是正确的，这时我们就可以接上舵机来测试了。

通过按键KEY1和KEY2来调整舵机角度，或者通过串口来控制舵机角度。