小白入门STM32：控制SG90舵机的基础工作原理详解

小白入门STM32：控制SG90舵机的基础工作原理详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/mantoureganmian/article/details/127592585

本文是一篇关于STM32单片机控制SG90舵机的基础教程。从理论到实践，详细介绍了PWM信号控制原理、定时器的工作机制，并给出了具体的代码示例。

序言

本文旨在帮助有一定C语言基础的读者入门STM32单片机。按照理论先行、实践跟进的思路，通过讲解PWM控制原理和定时器机制，指导读者完成对SG90舵机的控制。SG90舵机是最适合初学者的舵机类型，可以直接由单片机驱动。

一、基础理论

1.1 舵机控制原理–PWM

舵机通常可以在0-180度或0-360度范围内转动，广泛应用于小车转向控制和机械臂关节控制等领域。其转动角度范围需要在购买时确认。

控制舵机的基本需求包括：

1. 控制舵机转动到指定角度
2. 在舵机转动过程中，可以随时改变目标角度

设计者采用了一种简单而有效的方法：使用一个20ms周期的PWM信号来控制舵机。信号的前段为高电平，持续时间在0.5ms到2.5ms之间，对应0-180度或0-360度的转动角度，后半段为低电平。具体如下图所示：

这种设计使得舵机能够根据高电平的持续时间来调整转动角度。需要注意的是，舵机转动到指定角度需要一定时间，转动角度越大所需时间越长。如果在舵机转动过程中发送新的角度指令，舵机会直接从当前位置转向新目标角度，而不会完成当前指令后再转向。

习题

1. 如果2.5ms对应90度，那么36度的PWM信号高电平时间长度是多少？
2. 为什么使用PWM控制舵机？是否有其他控制方法？
3. PWM信号属于串行还是并行通信？全双工还是单工？为什么采用这种设计？
4. 为什么PWM信号长度为20ms，但通常只使用前2.5ms？

1.2 定时器

1.2.1 基础定时器

定时器的作用类似于闹钟，可以设定在特定时间执行特定操作。例如，每隔4秒让二极管亮起或熄灭。

为了实现这一功能，可以设计一套定时器系统：

1. 时钟装置：将1秒分为50份，每份20ms。
2. 循环计数装置：每当定时器响一次，计数值加一，最大值为199，超过后重置为0。
3. 开关装置：当计数装置数值为199时，开关反转一次，控制灯的亮灭。

在STM32单片机中，时钟装置通常使用系统时钟（72MHz），需要通过分频来降低频率。循环计数器包含两个重要寄存器：

• 计数寄存器CK_CNT：存储一个16位数字，时钟每前进一次，数值自动加一或减一。
• 自动重载寄存器ARR：当CK_CNT大于ARR时，会触发中断并重新开始计数。

循环计数器有三种模式：

• 向上计数：从0增长到ARR
• 向下计数：从ARR减小到0
• 中心对齐：先从0加到ARR，再从ARR减到0

1.2.2 比较定时器

为了产生PWM信号，需要在循环计数器中添加比较功能。比较寄存器CCR用于存储一个比较值，当计数器的值更新时，与CCR比较，并对外输出比较结果。

习题

1. 定时器的时钟装置和循环计数器各发挥了什么作用？
2. 循环计数器有哪些重要参数需要设置？
3. STM32时钟频率为72MHz，分频数为16位，CK_CNT为16位，最大和最小循环时间间隔是多少？
4. 如何设置时钟装置和循环计数器的寄存器值以产生360度的PWM信号？

二、实战上手

STM32单片机已经封装好了时钟装置、循环计数器和对外输出装置等功能，用户只需进行相关设置和接线。

2.1 设置定时器和单片机接线

2.2 代码示例

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    TIM1->CCR1=50;
    HAL_Delay(1000);
    TIM1->CCR1=150;
    HAL_Delay(1000);
}
/* USER CODE END 3 */

三、习题答案

1. 36度的PWM信号高电平时间长度计算：
   [
   (2.5 - 0.5) / 90 * 36 + 0.5 = 1.3ms
   ]

2. PWM控制舵机的原因：

• 使用时间长度表示转动角度，支持高精度细分
• 只需一根导线传输信号，成本低
• 可能存在其他控制方法

3. PWM信号通信特性：

• 串行通信
• 单工
• 设计原因：一根导线成本低，PWM机制可靠，执行端无需反馈

4. PWM信号长度设计：

• 2.5ms占20ms的八分之一
• 空余17.5ms用于区分杂音信号和准备接收下一个PWM信号

5. 定时器组件作用：

• 时钟装置提供时间粒度
• 循环计数器记录时间以执行特定操作

6. 循环计数器重要参数：

• 循环周期长度

7. STM32定时器时间间隔计算：

• 最小时间间隔：(1.38e-07s \times 1 = 1.38e-07s)
• 最大时间间隔：(65536s \times 0.00910 = 596.3776s)

8. 产生360度PWM信号的寄存器设置：

• 360度对应2.5ms

9. Counter Period设置为1999的原因：

• 计算机从0开始计数，0-1999共2000个数

10. 二极管观察PWM信号：

• 不可行，因为闪烁太快，人眼无法识别