STM32 --- 舵机使用笔记（含角度控制代码）

 

一 、舵机概述

上周，抽个闲做枪手，给群友写了一份两路舵机的控制代码。感谢老铁的信任，方案双方都很满意。

代码测试时，用的两款180°舵机：MG996R 和 MG995 。 

1、舵机的分类

• 按旋转角度

180°舵机：能给定角度、固定转速。 只能在0度到180度之间运动，超过范围，舵机轻则齿轮打坏，重则烧坏内部电路.

 360°舵机：能360度转动, 能控制转速。但不能调节转动的角度。

• 按控制信号

模拟舵机：要持续提供PWM信号才能固定角度。优点：便宜。

数字舵机：只要给一次PWM信号就能固定角度。优点：高精度，响就快，抖动小，更大的角度固定力。

2、几个重要参数

• 最大扭矩：如上面的MG996, 最大扭矩: 13KG/cm. 这个是在舵机堵转时测得的, 其时距离轴中心1cm处能挂起的重量.
• 工作电压：如常用的3.0V~7.2V, 接入电压不同, 所能产生的工作扭矩自然不同. 直接影响角度固定力。

3、引脚接线说明

• 红色：供电；电流比较大，除非测试, 真不建议在开发板上取电；

• 粽色：地线；必须与控制器, 如SMT32芯片共地；

• 橙色：PWM信号线；接芯片的TIMx外设的CHx脚；

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二、舵机控制原理

以本次测试的180度模拟舵机为例进行笔记讲解。

1、原理简述

舵机接收的是PWM信号，能使舵机内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，当电压差为零时，电机停转，从而达到伺服的效果。

即，给舵机提供一个特定的PWM信号，舵机就可以旋转到指定的位置。

2、PWM信号、角度

舵机接收的PWM信号频率为50HZ，即周期为20ms。当高电平的脉宽在0.5ms-2.5ms之间时舵机就可以对应旋转到不同的角度。

          

为了更好地理解其信号，和编写代码，把PWM关键点转换如下：

1. PWM信号周期：       20000us 
2. 0度时，高电平时长：    500us
3. 180度时, 高电平时长：2500us
4. 每增加1 °，需增加高电平时长：(2500-500)÷180 = 11.1us
5. 某角度值A，需要的总高电平时长：(A x11.1 +500)us 

特别地说明: 把所有ms值, 转换为us值, 是为了方便代码的编写和理解. 

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三、STM32代码实现

工程代码: STM32F103RC + 标准库函数v3.5;

1、所用引脚的宏定义

/*****************************************************************************
 ** 移植配置
****************************************************************************/
// 舵机_1
#define SERVO_1_GPIO                GPIOB                     // GPIO
#define SERVO_1_PIN                 GPIO_Pin_8                // PIN
#define SERVO_1_TIM_PORT            TIM4                      // 定时器: TIMx
#define SERVO_1_TIM_CH              3                         // 通道: CHx
#define SERVO_1_ANGLE_RESET         90                        // 上电复位后的角度
// 时基配置, 适用20ms周期的舵机
#define SERVO_TIM_PSC               72                        // 计数器时钟=72000000/72=1000000次/秒=1us/次               
#define SERVO_TIM_ARR               20000                     // 周期=20000*1us=20ms

为了加大代码移植的方便，取消时钟的宏定义，在初始化函数里根据所用端口做判断后使能各时钟.

2、GPIO初始化

// GPIO配置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = PINx;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure);

引脚配置要点：复用推挽模式(GPIO_Mode_AF_PP); 

2、TIM初始化

TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
// TIM时基配置
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= (psc-1);	               // 驱动CNT计数器的时钟 = Fck_int/(psc+1)
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period= (arr-1);	  	               // 自动重装载寄存器的值，累计TIM_Period+1个频率后产生一个更新或者中断
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;          // 时钟分频因子 ，用于配置死区时间，没用到，随意
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;	   // 计数器计数模式，设置为向上计数	
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;		           // 重复计数器的值，没用到，可以随意设置
TIM_TimeBaseInit(TIMx, &TIM_TimeBaseStructure);  	           // 初始化定时器        
// 输出比较模式
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;    	       // 配置为PWM模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  // 输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ccr;                           // 设置占空比大小
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;       // 输出通道电平极性配置
if(CHx==1)  TIM_OC1Init(TIMx, &TIM_OCInitStructure);
if(CHx==2)  TIM_OC2Init(TIMx, &TIM_OCInitStructure);
if(CHx==3)  TIM_OC3Init(TIMx, &TIM_OCInitStructure);
if(CHx==4)  TIM_OC4Init(TIMx, &TIM_OCInitStructure);
// CCR预装载
if(CHx==1)  TIM_OC1PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);	
if(CHx==2)  TIM_OC1PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
if(CHx==3)  TIM_OC1PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
if(CHx==4)  TIM_OC1PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
    
TIM_Cmd(TIMx, ENABLE);	                      	               // 使能计数器
//TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx, ENABLE);          	               // 主输出使能，当使用的是通用定时器时，这句不需要  

如果没有这几行 if 语句，代码简洁。

使用这些 if 进行判断的原因, 是因为我想把PWM的初始化函数, 做成更容易复用的代码, 这样以后要初始化某个TIM做PWM输出, 那只要传入相应的参数即可: 

void TIM_PwmInit(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 PINx, TIM_TypeDef* TIMx, u8 CHx, u16 PSC, u16 ARR, u16 CCR);

上面的TIM初始化，是经这个函数传入参数的。

重点解释一下：PSC, ARR, CCR, CNT

1. PSC：TIM时钟的分频系数：72；内部时钟经PSC值分频后, 传给CNT计数器使用；
2. CNT：计数器，CNT每计数一次的脉冲时长为：1÷（CLK÷PSC)  =  1÷（72000000÷72) = 0.000001s/次 = 1us/次；
3. ARR：自动重装载值：20000，CNT计数器经过多少次脉冲就重新开始计数。用这个值可控制需要的PWM信号周期：1us x 20000次  = 20 000us = 20ms
4. CCR：用于控制周期内高电平时长, 当CNT

3、角度输出函数

// 舵机1#配置角度
// 【可选参数】 [angle]0.0°~180.0°;
void AnalogServo_1_Angle(float angle)
{
    u16 ccr_1=0;
    xServo.angleNow_1 = angle;
    if(xServo.angleNow_1>180)    xServo.angleNow_1 =180;                    // 限制最大值, 防止出错
    if(xServo.angleNow_1<  0)    xServo.angleNow_1 =2;                      // 限制最小值, 防止出错
    
    ccr_1 = xServo.angleNow_1*11.11 +500;                                   // 把角度值, 换算成CCR值
    TIM_SetCCR(SERVO_1_TIM_PORT, SERVO_1_TIM_CH, ccr_1);                    // 配置TIMx的CCR寄存器值   
}


// 控制TIMx的CCRx的值;【可选参数】 [TIMx]TIM1~8, [CHx]1~4, [CCR]0~65535;
void TIM_SetCCR(TIM_TypeDef* TIMx, u8 CHx, u16 CCR) 
{    
    if(CHx==1)    TIMx->CCR1 = CCR;
    if(CHx==2)    TIMx->CCR2 = CCR;
    if(CHx==3)    TIMx->CCR3 = CCR;
    if(CHx==4)    TIMx->CCR4 = CCR;        
}

哈，自己有个死穴，不管学习某个方面的知识时，理解得有多深刻，过一段时间后，总是会淡忘得一干二净的。

所以，这个代码做成调用时，直接传入角度即可，以后就不用回忆高电平与角度的关系了。

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四、完整代码下载

工程所用STM32F103RC的核心版，完整代码，已分到CSDN的资料库。

完整代码下载: STM32_舵机PWM控制代码.zip

同时也分享了一份Q群 887199504 的文件夹，可自由下载的。