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船舶舵机系统的设计与建模研究船舶舵机系统作为航行安全的保障之一，其设计和建模显得尤为重要。
船舶舵机系统不仅影响着船舶的稳定性和航行性能，而且还涉及到人员安全和船舶的经济效益。
本文将从舵机系统的概念入手，探讨舵机系统的设计和建模，旨在为相关领域的研究提供一些帮助。
一、舵机系统的概念舵机系统是自动控制装置，使用电信号控制船舶舵的转动，可以帮助船舶实现准确的转向和当场制动。
它通常包括舵机齿轮、电动机、滚珠丝杆、伺服阀和计算机控制单元等组成部分。
舵机系统的设计需要考虑船舶型号、船舶尺寸、船舶使用环境以及需要完成的任务，合理的舵机系统设计能够实现良好的船舶航行性能和控制准确性。
二、舵机系统的设计船舶舵机系统的设计可以分为机械结构设计和电气控制系统设计两个方面。
机械结构设计需要考虑舵机材料的选择、舵机机构的设计和优化等问题。
电气控制系统设计需要考虑电路的设计和优化、信号处理系统的设计和实现。
下面将分别介绍这两个方面的设计。
（一）机械结构设计在机械结构设计中，需要考虑如下几个方面。
1.舵机主体材料的选择：舵机主体材料的选择应考虑实用性、耐久性和重量等因素，以适应船舶的使用环境和性能要求。
2.舵机机构的优化设计：舵机机构的设计应优化设计，达到减少重量和空间占用的目的。
舵机的设计中也要考虑用途，例如海洋工程船需要对舵机进行特殊适应，以适应各种不同种类的工作需要。
3.舵机的自动化：舵机的自动化，包括机电一体化和智能化设计。
这种自动化可以加快控制系统的反应速度，使得船舶控制更加精确，从而提高航行安全性。
（二）电气控制系统设计在电气控制系统设计中，需要考虑如下几个方面。
1.电路的设计和实现：电路的设计和实现是舵机系统中最为重要的部分之一，其质量的好坏直接影响着舵机的控制效果。
在电路设计中，需要考虑电路器件的选择和安装，以及电流大小和电压稳定性等方面问题。
2.信号处理系统的设计和实现：信号处理系统的设计和实现可以大大提高舵机的控制效果和精度。
采用舵机的方案设计报告1. 引言舵机是一种常用的电机控制装置，可以实现精确的位置控制。
在机械控制、机器人、遥控模型等领域广泛应用。
本报告将介绍一种采用舵机的方案设计，以实现特定任务的自动化控制。
2. 设计目标本方案的设计目标是实现一台可以自动调整朝向的摄像头。
通过使用舵机作为驱动装置，摄像头可以自动旋转并跟随目标物体。
3. 方案设计3.1 硬件部分3.1.1 舵机选择舵机的选择是设计的关键，需要考虑以下因素：- 输出扭矩：根据需要调整摄像头的重量、摩擦力等因素选择合适的输出扭矩。
- 速度：根据需要调整摄像头的旋转速度选择合适的舵机。
- 精确度：根据需要调整摄像头的精确度选择具有高分辨率的舵机。
3.1.2 电路设计舵机通常需要使用PWM信号进行控制。
设计中需要一个微控制器或者其他电路模块来生成PWM信号，并通过驱动器将信号传送给舵机。
同时，还需要一个电源供应电压给舵机。
3.2 软件部分3.2.1 控制算法在软件设计中，需要编写控制算法，以响应输入信号并控制舵机的转动。
常见的控制算法有PID控制、模糊控制等，根据实际需求选择合适的控制算法。
3.2.2 信号处理如果需要舵机根据物体的位置来进行调整，可以使用图像处理技术。
例如，通过计算摄像头捕捉到的物体在图像上的位置，将其转换为舵机应当转动的角度。
4. 实施计划本方案的实施计划如下：1. 确定舵机的选择标准，并选购合适的舵机。
2. 设计并搭建舵机控制电路，确保电路可以正常供电并接收PWM信号。
3. 编写控制算法的代码，并进行初步测试，确保能够正确控制舵机的转动。
4. 如果需要图像处理技术，设计并实现图像处理算法，并与舵机控制代码进行整合测试。
5. 进行系统整体测试，并根据结果进行优化和调整。
5. 结束语本方案设计了一种采用舵机的方案来实现摄像头的自动调整，以满足特定任务的需求。
该方案可以在机械控制、机器人、遥控模型等领域中得到广泛应用。
通过合理的舵机选择、电路设计和软件实现，可以实现稳定可靠的摄像头自动调整。
舵机控制器设计舵机控制器设计的论文第一章引言舵机作为一种常用的电动装置，在机器人、模型飞机以及无人机等领域中具有广泛的应用。
舵机的功能是将电信号转换为机械运动，通过控制杆来改变运动方向。
为了实现更精确、稳定的舵机控制，设计一种高效的舵机控制器显得尤为重要。
本论文对舵机控制器的设计进行了详细分析与研究，力求提供一种可行的解决方案。
第二章舵机控制器的原理和设计2.1 舵机控制原理舵机控制器的基本原理是利用脉宽调制（PWM）信号控制舵机的角度。
PWM信号的周期通常为20毫秒，其中高电平的宽度在0.5毫秒到2.5毫秒之间，用来控制舵机的位置。
在高电平宽度为0.5毫秒时，舵机会转到最左侧位置；在2.5毫秒时，舵机会转到最右侧位置；在1.5毫秒时，舵机会转到中间位置。
2.2 舵机控制器的设计本文设计了一种基于微控制器的舵机控制器。
首先通过AD转换器将输入信号转换为数字信号，然后使用PWM模块产生所需要的高低电平周期。
随后，通过比较器实现信号的判断与输出控制。
最后，结合PID算法进行控制器输出的调整，以实现对舵机位置的精确控制。
第三章舵机控制器的实验与结果分析本文设计的舵机控制器在实验中进行了验证，并与传统的控制方法进行了比较。
实验结果显示，基于微控制器的舵机控制器相比于传统方法，具有更高的控制精度和稳定性。
在舵机响应速度、阻尼效果以及位置控制误差方面均有明显改善。
第四章结论本文设计了一种基于微控制器的舵机控制器，通过使用脉宽调制信号和PID控制算法，实现了对舵机位置的精确控制。
实验结果表明，所设计的舵机控制器相比传统方法具有更高的控制精度和稳定性。
未来的研究可以进一步优化算法和硬件设计，提高舵机控制器的性能。
第一章引言舵机控制器在机器人、模型飞机以及无人机等领域中扮演着重要的角色。
舵机的作用是将电信号转换为机械运动，通过控制杆来改变运动方向。
为了实现更精确、稳定的舵机控制，设计一种高效的舵机控制器显得尤为重要。
XXX型舵机系统简要方案设计报告2022年3月19日XXX型舵机系统简要方案设计报告1 概述XXX型四通道舵机系统（以下简称为舵机）作为飞行器的动作执行机构，可满足飞行器飞行过程中对滚转、俯仰、偏航姿态的控制，电动四通道可独立工作、也可成对差分工作，模块化的设计可方便科研、生产过程中的装配、调试，也可保证产品后期装备使用过程中日常勤务处理等要求，其具备负载能力适中、可靠性高、量产成本低的特点。
2 技术指标及性能要求详见总体研制任务书。
3 研制依据和标准详见总体研制任务书中引用文件。
4 总体设计根据总体给定的设计任务要求，该型舵机采用谐波齿轮减速器为主要传动机构的技术路线，其由本体、传动机构组件、舵机驱动控制组件三大部分组成，舵翼由总体提供。
其中，本体基于总体提供的壳体外形及舵轴位置尺寸进行内部结构适配性设计；传动机构组件由谐波齿轮减速器、直流有刷电机、高精度导电塑料电位器组成；舵机驱动控制组件由MCU核心控制器、匹配调理电路和专用驱动模块组成。
其三维结构和组成见下图1、图2。
图 1 舵机三维结构布局图图 2 舵机组成框图舵机采用电动、四通道、数字控制式舵机，其中驱动电、控制电分别为+24V、+48V热电池为驱动模块、控制模块供电。
产品在使用前未上电前，直流有刷电机锁制器处于锁定状态，确保舵翼位于零位；使用上电时，舵机控制板执行复位、锁制器通电解锁、输出电零位锁零指令，将舵翼保持在电气零位等待接收产品控制指令；在接收到控制指令后，舵机控制电路根据指令形成PWM指令，通过舵机驱动模块实现舵翼的偏转，产生控制力矩完成对产品的姿态控制。
其特点是控制精度高、结构紧凑、可靠性好。
4.1 传动机构传动机构由谐波减速器、直流电动机、电位器组成，减速机构采用扁平式谐波齿轮减速器，将电机的转速、转向和力矩变换为舵面所需的转速、转向和力矩；传感器采用高精度导电塑料电位器，实现舵面角度的精确测量。
传动机构组成三维图见下图3。
电动舵机的参数平衡设计
1.安装位置:电动舵机应该放置在车辆的位置益处最大，可以使用整体性能达到最大，并可以将机器人的工作空间和服务空间分隔开来，减少机器人组件之间的干扰。
2.驱动电压:舵机的驱动电压应当与电路板一致，以确保电子电路的安全性和稳定性，并且选择的电源的容量应根据驱动电机的功率来确定。
3.布线:舵机的控制和电源布线应该具有良好的可靠性和绝缘性，以避免漏电和短路的可能。
4.驱动模型:舵机采用双组分平衡模型，在接受驱动力的同时，还需要考虑反向力。
由于反向力会影响舵机驱动性能，所以应当进行优化设计。
5.控制系统:控制系统应当具有良好的特性，要准确控制和调整舵机的量度和精度。
•舵机是一种位置伺服的驱动器。
它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
在微机电系统和航模中，它是一个基本的输出执行机构。
1 舵机的工作原理以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。
舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA66881。
的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。
该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6 688的3脚输出。
该输出送人电机驱动集成电路BA6686，以驱动电机正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器R。
，旋转，直到电压差为O，电机停止转动。
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。
2 舵机的控制方法标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2所示。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。
注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。
控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。
当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。
某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用围3来表示。
3 舵机控制器的设计(1)舵机控制器硬件电路设计从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号(P WM)。
该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。
采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合作多路输出。
一般采用单片机作舵机的控制器。
目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利用单片机的定时器中断实现PWM。
该方案将20ms的周期信号分为两次定时中断来完成：一次定时实现高电平定时Th；一次定时实现低电平定时T1。
Th、T1的时间值随脉冲宽度的变换而变化，但，Th+T1=20ms。
•舵机是一种位置伺服的驱动器。
它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
在微
机电系统和航模中，它是一个基本的输出执行机构。
1 舵机的工作原理
以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。
舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA66881。
的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。
该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6 688的3脚输出。
该输出送人电机驱动集成电路BA6686，以驱动电机正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器R。
，旋转，直到电压差为O，电机停止转动。
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。
2 舵机的控制方法
规范的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2所示。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。
注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。
控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。
当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。
某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用围3来表示。
3 舵机控制器的设计
(1)舵机控制器硬件电路设计
从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号(P WM)。
该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。
采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合作多路输出。
一般采用单片机作舵机的控制器。
目前采用单片机做舵机控制器的技术方案比较多，可以利用单片机的定时器中断实现P WM。
该技术方案将20ms的周期信号分为两次定时中断来完成：一次定时实现高电平定时Th；一次定时实现低电平定时T1。
Th、T1的时间值随脉冲宽度的变换而变化，但，Th+T1=20ms。
该方法的优点是，PWM信号完全由单片机内部定时器的中断来实现，不需要添加外围硬件。
缺点是一个周期中的PWM信号要分两次中断来完成，两次中断的定时值计算较麻烦；为了满足20ms的周期，单片机晶振的频率要降低；不能实现多路输出。
也可以采用单片机+8253计数器的实现技术方案。
该技术方案由单片机产生计数脉冲(或外部电路产生计数脉冲)提供给8253进行计数，由单片机给出8253的计数比较值来改变输出脉宽。
该技术方案的优点是可以实现多路输出，软件设计较简单；缺点是要添加l片8253计数器，增加了硬件成本。
本文在综合上述两个单片机舵机控制技术方案基础上，提出了一个新的设计技术方案，如图4所示。
该技术方案的舵机控制器以AT89C2051单片机为核心，555构成的振荡器作为定时基准，单片机通过对555振荡器产生的脉冲信号进行计数来产生PWM信号。
该控制器中单片机可以产生8个通道的PWM信号，分别由AT89C2051的P1．0～Pl.7(12～19引脚)端口输出。
输出的8路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。
因为信号通过光耦传送过程中进行了反相，因此从光耦出来的信号必须再经过反相器进行反相。
方波信号经过光耦传输后，前沿和后沿会发生畸变，因此反相器采用CD40106施密特反相器对光耦传输过来的信号进行整形，产生规范的PWM方波信号。
笔者在实验过程中发现，舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。
因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。
该舵机控制器占用单片机的个SCI串口。
串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。
MAX232为电平转换器，将上位机的RS232电平转换成TTL电平。
(2)实现多路PWM信号的原理
在模拟电路中，PWM脉冲信号可以通过直流电平与锯齿波信号比较来得到。
在单片机中，锯齿波可以通过对整型变量加1操作来实现，如图5所示。
假定单片机程序中设置一整型变量SawVal，其值变化范围为O～N。
555振荡电路产生的外部计数时钟信号输入到AT89C205
1的INTO脚。
每当在外部计数时钟脉冲的下降沿，单片机产生外部中断，执行外部中断IN T0的中断服务程序。
每产生一次外部中断，对SawVal执行一次加1操作，若SawVal已达到最大值N，则对SawVal清O。
SawVal值的变化规律相当于锯齿波，如图5所示。
若在单片机程序中设置另一整型变量DutyVal，其值的变化范围为O～N。
每当在SawVal清0时，D ulyVal从上位机发送的控制命令中读入脉冲宽度系数值，例如为H(0≤H≤N)。
若DutyVal ≥SawVal，则对应端口输出高电平；若DutyVal<Sawval，则对应端口输出低电平。
从图5中可看出，若改变DutyVal的值，则对应端口输出脉冲的宽度发生变化，但输出脉冲的频率不变，此即为PWM波形。
设外部计数时钟周期为TINT0，锯齿波周期(PWM脉冲周期)为TPWM，PWM脉冲宽度占空比为D，由图5可得出如下关系：
由式(3)可知，PWM波形的周期TPWM一旦确定下来，只须选定计数最大值N，就可以确定外部时钟脉冲所需周期(频率)。
外部时钟脉冲周期TINT0显然是PWM脉冲宽度变换的
最小步距，即调节精度。
由式(4)可知，N越大，步距所占PWM周期的百分比越小，精度越高。
例如，若采用8位整型变量，最大值N=28-1=255，则精度为1／(255+1)=1／255；若采用16位整型变量，最大值N=216-1=65535，则精度为1／65536。
文中计数变量SawVal采用8位整型变量，因此N=255。
对于一般应用，其精度已足够。
就舵机而言，要求TPWM=20ms，则可算得外部时钟周期为：
因此，设计555振荡电路时，其输出脉冲的频率应为：
当有多个变量与SawVal比较，将比较结果输出到多个端口时。
就形成了多路PWM 波形。
各个变量的值可以独立变化，因此各路PWM波形的占空比也可以独立调节，互不相干。
多路PWM波形的产生如图6所示。
图中以3路PWM波形为例。
4 舵机控制器软件的设计
舵机控制器的控制核心为单片机AT89C2051。
文中，程序用C5l编写，工作方式为前后台工作方式。
单片机程序包括系统初始化程序、串口通信程序、上位机命令解释与PWM脉宽生成程序和多路PWM波形输出程序。
串行通信程序和多路PWM波形输出程序采用中断方式。
串口通信格式为渡特率9600bps、8位数据位、1位停止位、无校验、ASCII码字符通信。
串口通信程序用于接收上位机发送过来的控制命令。
控制命令采用自定义文本协议，即协议内容全部为ASCII码字符。
通信协议格式如图7所示。
例如，要控制通道1的PWM脉宽，脉宽系数为25，则通信协议内容为“#”“1”“0”“2”“5”“!”这6个字符。
这时通道l的PWM占空比为25／256=O．098。
一个通道号对应一个PWM脉冲输出端口。
本设计为8个通道，号码为l～8，对应单片机的P1．o～P1．7。
起始符和终止符起到帧同步的作用。
串口通信程序流程如图8所示。
图8中，CHNo存放的是PWM通道号ASCII码，Dutyl00、DutylO、Duoyl分别存放的是脉宽系数的百位数、十位数和个位数的ASCII码(注意，若高位数为O，则该位的字符应为“0”，不能省略。
如25，完整字符应为“O”“2”“5”。
CharNo为信号量，用于对串口接收的字符顺序以及串口中断与上位机命令解释程序之间进行同步。
5 舵机控制器实验
图9为舵机控制板输出的其中一路PWM波形(带舵机负载)。
从图9中可看出，舵机控制器输出的PWM波形稳定、干净，符合设计要求。
6 结论
本文提出的多路舵机控制器设计方法，以单片机AT89C2051为核心，由外部振荡电路提供PWM脉冲的定时基准，控制部分与舵机驱动部分由两个电源供电，两者电气隔离。
这种设计技术方案的优点是：
①PWM波形由外部振荡电路提供定时基准，与单片机内部振荡器的频率无关，不影响串口通信、定时器等参数的配置。
②PWM波形的调整精度可任意确定。
③本没计思路可应用于任意多路的PWM输出，只要单片机能提供足够多的输出端口，例如将AT89C2051换成AT89S5l，就可以提供至少24路的PWM输出(P0、Pl、P2)。
④控制参数由SCI串口输入，适应面广，上位机可以是PC机、单片机或是PLC。
⑤本方法具有一般性，任何单片机只要能提供SCI中断、外部中断就可以应用本方法。
利用单片机PWM信号进行舵机控制
发表于 2007-7-19 17:52:28。
