云台综合设计

云台综合设计
[摘要]舵机又称微伺服电机，其主要组成部分为伺服电机，包含伺服电机控制电路以及减速齿轮组。

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

舵机转子转速受输入信号控制，并能快速准确反应，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

与其他电机相比，舵机有着精度高、性能好、抗过载能力强、输出功率高、稳定性好、及时性强、噪声低等优点。

现代社会，在生产与生活中，舵机所占的比重越来越大，只要是要有动力源，而且对精度有要求的工程一般都可能涉及到舵机，如机床、印刷设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。

所以对舵机的学习与研究是相当有必要的。

在本设计中，我们采用单片机来驱动舵机工作，单片机通过改变输出的pwm信号占空比来控制舵机的转角与转速; 舵机能够实现正转、反转、自动旋转等功能。

关键词STC芯片PWM控制舵机
一、任务与要求
本次设计是以单片机为控制器，设计一个云台控制系统，使云台按期望的方式运行。

本次设计完成的任务：
（1）单片机控制MG996R舵机转向相应的角度，从-90°到+90°
（2）使用键盘输入控制云台步进电机。

二、电路的设计及设计原理
电路设计：
原理图：
本次设计原理图直接使用示波器会比用电机更好，因为这样如果出现问题可以直接找出问题所在。

设计原理：
（1）舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变并可以保持的控制系统。

其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。

它内部有一个基准电路，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。

（2）舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。

以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：•0.5ms--------------0度；
• 1.0ms------------45度；
• 1.5ms------------90度；
• 2.0ms-----------135度；
• 2.5ms-----------180度；
如下图所示：
舵机输出转角与输入脉冲关系
（3）舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。

（4）具体的设计过程：
单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须完成两项任务：首先，产生基本的PWM周期信号，即产生20ms的周期信号；其次，
调整脉宽，即单片机调节PWM信号的占空比。

例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms-2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后设置定时器在2ms后发生中断，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，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实现PWM信号输出到舵机。

用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服机灵活运动。

（5）本舵机的要求精度比较高，所以采用24M晶振。

（6）舵机控制的测试表明，舵机控制系统工作稳定，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。

（7）云台的转动角度
云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载（防护罩/摄像机/镜头总成）安装方式有很大关系。

云台的水平转动角度一般都能达到355°，因为限位拴会占用一定的角度，但是出现少许的监控死角。

当前的云台都改进了限位装置使其可以达到360°甚至365°（有5°的覆盖角度），以消除监控死角。

三、系统框图
五、硬件设计与软件设计
1、硬件系统测试
硬件系统测试正常，舵机能够实现从-90度到+90度的转角
2、软件总体测试
仿真中未用电机直接进行观察现象，而是用示波器观察波形，
占空比、周期等，测试符合条件。

六、实验测试结果与分析
舵机能够从-90度转到90度，其中舵机会转超过90度，这是舵机设计是为了消除是视角盲区。

七、改进意见
课程设计还有很多不足，这次设计就仅仅实现了舵机的转动，还没有反馈电路，除此之外，我觉得还可以增加数码管，
LED灯，这样就可以更加形象的看到舵机转动情况，但是反过
来说，单是实现舵机转动就发了好长时间，遇到了不少问题，
这样的设计对于我来说还是有难度的。

八、实验总结
本设计主要研究了舵机的结构、工作方式与控制原理，研究了通过改变PWM信号的占空比来控制舵机的运行。

这次实
验由我们2个人来完成，各有分工，但是由于时间、知识有限
等原因，设计不可避免有部分不足。

这次设计中遇到不少问题，程序的编写、调试工作，经过一次一次的程序修改，编译，一次一次的尝试，不断在错误
中进步，最终完成了程序的编译。

经过程序代码的编写及成功仿真，我们对其有了一定的了解，对其中的某些错误有了一定的反应能力。

在过程中当让也少不了老师悉心指导，让我在程序的调试和设计中更加顺利，这也让我留下深刻印象，谨此向老师表示衷心的感谢。

九、参考文献
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