舵机实验

罗大富 BigRich大约 5 分钟ESP32Python

舵机在电子产品中非常常见，比如四足机器人、固定翼航模等都有应用，因此学习舵机对后续完成电子制作非常有意义。本节课学习使用 MicroPython 的 PWM 对 SG90 舵机旋转角度控制。

实验原理

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。舵机只是一种通俗的叫法，其本质是一个伺服电机。

舵机有很多规格，但所有的舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，由于舵机品牌不同，颜色也会有所差异，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。只要通过信号线给予规定的控制信号即可实现舵机码盘的转动。

SG90 的主要电气参数：

使用电压： 4.8V - 6V
尺寸： 221.5mm x 11.8mm x 22.7mm
重量： 9g
角度范围：0-180°

舵机的工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，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。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。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。一般舵机旋转的角度范围是 0 度到 180 度，当然也有 0 度到 360 度。

我们没有必要了解舵机的内部结构，只需要知道如何通过 PWM 控制其转动即可。舵机的控制就是通过一个固定的频率，给其不同的占空比的，来控制舵机不同的转角。

舵机的转动的角度是通过调节 PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准 PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为 20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在 1ms 到 2ms 之间，但是，事实上脉宽可由 0.5ms 到 2.5ms 之间，脉宽和舵机的转角 0°～180° 相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。

0.5-2.5ms 的 PWM 高电平部分对应控制 180 度舵机的 0-180 度，因此，对应的控制关系是这样的：

高电平占整个周期（20ms）的时间	舵机旋转的角度	对应的占空比
0.5ms	0°	0.5 // 20
1ms	45°	1 // 20
1.5ms	90°	1.5 // 20
2ms	135°	2 // 20
2.5ms	180°	2.5 // 20

硬件电路设计

物料清单（BOM 表）：

材料名称	数量
舵机	1
杜邦线(跳线)	3

注意

注意接线顺序

软件程序设计

上节课我们已经学习了 MicroPython 的 PWM 构造函数和方法，这节课依然可以 PWM。根据实验原理，我们可以直接操作 PWM 值来控制舵机的转动角度，代码如下：

'''
该程序作用是使用 PWM 模块控制舵机转动
在线文档：https://docs.geeksman.com/
'''

import time
from machine import Pin, PWM

# 定义舵机控制对象
my_servo = PWM(Pin(13))
# 定义舵机频率
my_servo.freq(50)

# 使用不同方法控制转动角度

# 使用 duty() 方法转动到 0°，duty 方法的范围是 0-1023，
# 因此，参数值为 1023 // 20 * 0.5 取整等于 25
my_servo.duty(25)
time.sleep(2)

# 使用 duty_u16() 方法转动到 90°，duty_u16 方法的范围是 0-65535，
# 因此，参数值为 65535 // 20 * 1.5 取整等于 4915
my_servo.duty_u16(int(65535//20*2.5))
time.sleep(2)

了解了如何驱动舵机模块了还不够，我们也可以像封装数码管驱动代码一样，自己写一个舵机驱动代码，像舵机这种常用的模块。

MicroPython 拥有着庞大的用户群，自然舵机模块也有开源的代码，直接拿过来使用即可，这就是使用 MicroPython 开发的高效之处，市面上常见的模块在网上几乎都可以找到相应的模块代码，大家一定要善于在网上搜索资源。

我们可以把从网上下载来的代码放到 MicroPython 设备中的 libs 目录下（libs 存放第三方库，common 存放自己写的常用变量，函数，类等等），代码如下：

from machine import PWM
import math

# originally by Radomir Dopieralski http://sheep.art.pl
# from https://bitbucket.org/thesheep/micropython-servo

class Servo:
    """
    A simple class for controlling hobby servos.
    Args:
        pin (machine.Pin): The pin where servo is connected. Must support PWM.
        freq (int): The frequency of the signal, in hertz.
        min_us (int): The minimum signal length supported by the servo.
        max_us (int): The maximum signal length supported by the servo.
        angle (int): The angle between the minimum and maximum positions.
    """
    def __init__(self, pin, freq=50, min_us=600, max_us=2400, angle=180):
        self.min_us = min_us
        self.max_us = max_us
        self.us = 0
        self.freq = freq
        self.angle = angle
        self.pwm = PWM(pin, freq=freq, duty=0)

    def write_us(self, us):
        """Set the signal to be ``us`` microseconds long. Zero disables it."""
        if us == 0:
            self.pwm.duty(0)
            return
        us = min(self.max_us, max(self.min_us, us))
        duty = us * 1024 * self.freq // 1000000
        self.pwm.duty(duty)

    def write_angle(self, degrees=None, radians=None):
        """Move to the specified angle in ``degrees`` or ``radians``."""
        if degrees is None:
            degrees = math.degrees(radians)
        degrees = degrees % 360
        total_range = self.max_us - self.min_us
        us = self.min_us + total_range * degrees // self.angle
        self.write_us(us)

接着在主程序中调用 servo.py 模块中的内容：

'''
该程序作用是使用 PWM 模块控制舵机转动
在线文档：https://docs.geeksman.com/
'''
import time
from machine import Pin
from libs.servo import Servo


# 定义舵机控制对象
my_servo = Servo(Pin(13), max_us=2500)


# 程序入口
if __name__ == '__main__':
    while True:
        my_servo.write_angle(0)
        time.sleep(0.5)
        my_servo.write_angle(45)
        time.sleep(0.5)
        my_servo.write_angle(90)
        time.sleep(0.5)
        my_servo.write_angle(135)
        time.sleep(0.5)
        my_servo.write_angle(180)
        time.sleep(0.5)

舵机实验

# 实验原理

# 硬件电路设计

# 软件程序设计

实验原理

硬件电路设计

软件程序设计