原创技术贴：舵机测试仪的设计与制作

gale · 发表于 2011-4-23 23:53:25

舵机是玩模型常用设备之一，舵机的主要参数有扭矩，响应速度两项，当然，还有电压、信号脉宽等电气指标。通常，普通的模友都非常关注舵机的响应速度，并往往用舵机响应速度来作为判断舵机质量和档次的重要依据。

市面上常见的舵机，其空载转动60度，所需时间一般都在几十ms到几百毫秒，这项指标也是玩单桨直升机的模友特别关注的（斜盘舵机、锁尾舵机）。很早以来，我就想做一个测试设备，但由于几个原因，一直没做：1、市面有现成的设备；2、麻烦；3、吃力不讨好。前年一时兴起，用3310液晶屏做了一个，不过也没有认真研究完善，半途而废了~

前两天，身边一个模友得到一个样品舵机需要测试，虽然他的充电器有测试舵机速度的功能（您没看错，是充电器有这个功能），但是这个舵机需要8V工作电压，超过了充电器的能力范围，于是我接过这一任务。

既然做，就做认真一点吧，为了便于使用操作，不打算随便搞。但最近一直在写四轴飞控的代码，这只能是个小插曲，不能花太多气力，略加思索，我选择了这样的方案：

1、基于AVR CDC软硬件进行修改，用AVRCDC硬件产生舵机驱动信号，并用AD采样检测舵机消耗电流（判断舵机是否在转动）
2、基于CDC串口编写上位机软件，进行操控和显示

这个经过2~3个晚上的业余时间，成功完成，可惜由于连续2天加班，晚上只有1个多小时时间，最终没能赶上朋友的测试任务。回顾这个过程，觉得蛮有趣的，所以整理一下，和大家分享。

分几个主题慢慢写：
一、舵机信号格式
二、为什么用电流检测的方法
三、舵机工作过程分析
四、电路设计
五、下位机软件主要算法分析
六、上位机软件介绍
七、硬件资料和源码公开

这里先简单说一下，实现这个舵机测试仪，只需要在标准的AVRCDC电路上焊接导线和舵机插头即可，不需要其他额外零件，最终能实现比较理想的效果。先放出上位机界面：

(原文件名:2.jpg)

(原文件名:1.jpg)

(原文件名:3.jpg)

(原文件名:4.jpg)

(原文件名:5.jpg)

xld007 · 发表于 2011-4-24 00:04:09

Mark

gale · 发表于 2011-4-24 00:05:45

一、舵机信号格式

从我了解的情况来看，比例舵机的信号格式已经有相当的历史了，至少20年吧，请专家指正。
目前大部分舵机，信号都是从PPM多通道信号解调出来的，PPM从名字上看，是“脉冲位置调制”，但舵机信号却是“脉冲宽度调制”，即PWM。更准确来说，多路通道混合在一起的时候，是PPM的，解调出各路单独的信号时，就是PWM了。

传统的舵机信号，是一个50Hz左右（注意，是左右，不标准的），脉宽为0.5ms~2.5ms的PWM方波。当然，实际上，占业界主要地位的扶它爹和健人系列的遥控器，脉宽一般在0.9ms~2.1ms，这些信息我并没有权威数据，只是经验，有专家请指正。对舵机设备而言，有一个中点，然后围绕这个中点，有正负信号之说。一般来讲，扶和健的信号中点为1.5ms(精确来说是1520us，有专家请指正)，代表0%，就是中点；1.5~2.1ms之间的600个us，代表0~120%的舵量；1.5->0.9ms之间的600个us，代表0~-120%的舵量，并且是线性关系。

如果用示波器可以看到，这个PWM波的占空比是非常低的，在20ms的周期内，只有2ms的脉宽。之所以这样设计，是由于传统的8通道~9通道模型遥控时，需要50Hz左右的传输频率，就规定死了20ms的周期，在这20ms里面，要传输8~9个通道信号，每个通道都只有2ms多的时间，用传统的74HC164移位寄存器来解调的时候，解出的各个单路信号，就只能还是20ms周期了。

(原文件名:s.JPG)

boyazy · 发表于 2011-4-24 00:43:37

Mark

zforce · 发表于 2011-4-24 01:26:42

扶它爹

囧。。。

支持LZ

bzbs · 发表于 2011-4-24 07:05:52

楼主继续啊！等着在！

eworker · 发表于 2011-4-24 07:30:53

专业

121212 · 发表于 2011-4-24 07:49:41

lz顶你哦，加油！

高手 2-3 天就能完成，常人做上面的软件起码 1个月！

NJ8888 · 发表于 2011-4-24 08:48:49

通过电流获知动作速度--------真是好办法

gale · 发表于 2011-4-24 09:00:39

二、为什么用电流检测的方法
测舵机的扭矩，需要机械装置，这是显而易见的，那么，测舵机的响应速度呢？从道理上看，也应该有一个反馈装置，用于收集舵机摇臂的角度，来判断舵机是否到位，比如用舵机摇臂带动一个电位器，然后检测电位器的中点电压；或者用光栅，霍尔等等。其实我也一直这样想的。不过，很早就有人提出了电流检测的方法，具体多早我不知道。
电流检测方法，是根据这样一个事实情况来设计的：目前的舵机，都是利用电动机作为动力源，当舵机需要转动角度的时候，电动机做功并消耗电能，产生电流，当舵机运动到指定角度时，电动机停止，并停止消耗电能。

从一些商用的产品来看，比如我前面提到带舵机速度检测的充电器，这种方法已经被实用化了，应该具备一定的合理性。我经过这次小开发，也发现这种方法，有其可靠的一面，也有其局限性，但总体来说，是可用的，好用的，对模友而言，值得使用。

要检测一个设备的工作电流，有好多方法，最简单的就是在回路上串上一个采样电阻；进一步考虑，如果将电阻串在GND回路上，对于电路的要求就更简单了。就本案而言，我们对这个电流并无精度要求，只需要判断有电流还是没有电流，电流大概多大即可。
我通过实测发现，只需要检测舵机黑色信号线上压降即可——没错，不需要任何额外电阻，舵机线的线阻就可以了！如下图：

(原文件名:s1.JPG)

图的右边是舵机插头，从上到下分别是信号SIGNAL，电源正VCC，电源负GND。在舵机实际工作的时候，在图中黑色粗线所示的GND上，就会产生一个微小的压降（实测大约几十mV，当然，和线的质量有关，如果你用的是磁铁能吸起来的铜线的话，这个压降会大不少）。为了减少电路的负担，我在设计时，特意选用了比较细的电线约10cm，电阻大概0.05欧~0.1欧，产生的压降在50mV上下（视舵机的不同而不同）。

gale · 发表于 2011-4-24 09:23:28

三、舵机工作过程分析
舵机一般采用的是P控制：它用一个电位器检测摇臂角度，用电动机带动齿轮箱来转动摇臂，驱动电动机的电压大小，就取决于电位器检测到的角度和期望角度的差值。
舵机的具体电路就不分析了，现在的舵机一般都是专用的舵机驱动芯片，高级一些的舵机采用的是单片机（AVRM8使用也很多），从我观察的4~5种舵机来看，驱动方式还是有差异的，我这里选比较典型（常见）的驱动过程来介绍。如下图：

(原文件名:s3.JPG)

1、等待期就是舵机不工作在等待命令（等待舵机驱动脉宽信号的脉宽变化）
2、当发现脉宽变化后，舵机开始驱动电动机工作，产生较大电流，随着摇臂角度逼近期望角度，电流越来越小，这段时间就是转动期；
3、当接近期望角度的时候，会出现一段间歇期，这个应该是摇臂和期望角度的差值，超过了电位器的解析能力了（即进入电位器的死区）
4、很快由于惯性，摇臂会过冲，这样，驱动电路又开始命令舵机反转，如此震荡多次，直至稳定，这是调整期

(原文件名:舵机波形2.jpg)

这是一个实际抓取的0~60度转动的电流波形（黄色CH1线），蓝色CH2线是我编写的软件根据这些情况将调试LED点亮/熄灭的波形，照片拍摄时，我已经完成了软件设计，所以可以看到软件能够清晰地分辨各个区间。

从图上可以看出，这个舵机的响应速度是0.08s多一点。这里有2点要说明，见下图：

(原文件名:w.JPG)
1、舵机停止工作的时间，要以A点来计算，不能以B点来计算，B点是检测到舵机稳定了一段时间后，认为舵机已经停止工作了，但其实此时舵机已经停止工作一段时间了
2、B点之后还出现了一些电流波形，这是舵机常见的“颤抖”现象，其根源是电位器位置检测抖动以及驱动信号检测抖动所致。如果这个抖动刚好出现在B之前，就会引起误会。因此在测量时需要采取合适的测量排除这种情况。

gale · 发表于 2011-4-24 09:25:06

再上传一些波形，可以看出，对于这类舵机，软件都能准确分隔各个区间：

(原文件名:舵机波形0.jpg)

(原文件名:舵机波形1.jpg)

(原文件名:舵机波形3.jpg)

(原文件名:舵机波形4.jpg)

diziaihaozhe · 发表于 2011-4-24 09:28:56

gale · 发表于 2011-4-24 09:57:04

四、电路设计
为了简化显示以及人机UI方面的设计工作，加快进度，我选择了AVRCDC作为实现舵机测试仪的平台。电路原理参见下图，实际上我用的是几年前自己做的AVRCDC板子，和原版的差异有：
1、在D+ D-上使用3.3V稳压管，比原版这个设计兼容性更好。
2、找了两个闲置的IO口加上LED做显示，本案中LED几乎无用

(原文件名:s4.jpg)

这是初始化代码，可以看到，做舵机测试仪，就是拉出PC2作为AD检测,沿用原来的TXD(PD1）作为信号输出，之所以选择这两个脚，是出于焊接方便考虑。

(原文件名:c1.jpg)

(原文件名:S5.jpg)

好了，这就是电路的全部。

(原文件名:s6.jpg)
1、CC可选，据我试验，放和不放，波形并无明显变化
2、二极管这个意味着舵机从USB取电，这个玩玩还可以，实际测试时，USB供电能力有限，舵机响应速度会慢不少
3、等效电阻这根连线要细一些，长一些

635656623 · 发表于 2011-4-24 12:21:41

MARK

411412 · 发表于 2011-4-24 13:01:40

mark

gale · 发表于 2011-4-26 23:19:21

上面的电路图是AVRCDC的，但实际上，USBASP随手可得，因此我花了一点时间，将代码改为USBASP版本。接着我就介绍，如何将USBASP做成一个舵机测试仪。

所需材料：
1、USBASP成品一个
2、导线若干
3、3PIN 舵机插针2组

这是我前年12元一个在淘宝买的USBASP，当时买了俩，就想折腾一下。。。现在如愿了

(原文件名:h1.jpg)

(原文件名:h2.jpg)

gale · 发表于 2011-4-26 23:27:09

把USBASP的自烧录跳线短接上，烧入我提供的固件

(原文件名:h3.JPG)

烧录好以后，把ISP座焊掉，当然，你可以留着ISP座

(原文件名:h4.jpg)

焊上舵机插针，你可以用线延长出去，这样可以随意布局，我把它焊在板子上，需要费心设计一下

(原文件名:h5.jpg)

焊上几根导线，连接PC2口等，大功告成。（蓝色的导线是作为采样电阻使用的，是比较细的导线，30cm长）

(原文件名:h6.jpg)

gale · 发表于 2011-4-26 23:32:32

为了好看一些，我找了一个0.1欧的电阻，把蓝色导线换掉了，如果你有条件，也可以这样做

(原文件名:h7.jpg)

(原文件名:h8.jpg)

(原文件名:h9.jpg)

(原文件名:h10.jpg)

liang_work · 发表于 2011-4-26 23:35:20

顶起.

gale · 发表于 2011-4-26 23:43:04

插上设备，安装AVRCDC.INF，为了便于区分，我改了一下PID，并改了INF，使得它显示USB-SERVO

(原文件名:IMG_20110426_233454.jpg)

(原文件名:S08.jpg)

gale · 发表于 2011-4-26 23:44:50

连上舵机和UBEC，运行软件（软件自动搜索到这个串口），就可以检测了，我试验了好几种舵机，测出的速度参数和厂家的标称值一致性很高！

(原文件名:h11.jpg)

(原文件名:h12.jpg)

(原文件名:IMG_20110426_233406.jpg)

gale · 发表于 2011-4-28 21:49:01

原理图和制作等，我都发博客了
http://blog.ednchina.com/galee/

liang_work · 发表于 2011-4-28 22:12:47

再顶,顶到你出来为止,嘿.

gale · 发表于 2011-5-2 20:53:47

回复【23楼】liang_work
再顶,顶到你出来为止,嘿.
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出来了！

czhaii · 发表于 2011-5-3 06:11:50

先占位

zhuhanliang · 发表于 2011-5-3 08:19:09

强力顶...

wxws · 发表于 2011-5-3 08:38:32

好东西

skystalker · 发表于 2011-5-3 09:00:05

这贴不顶不行

zwei99999999 · 发表于 2011-5-3 09:20:57

好好东东啊 LZ一个强也........

467513422 · 发表于 2011-5-3 09:43:43

mark

gale · 发表于 2011-5-3 10:24:09

实际使用中，发现了一个问题：如果测速测到一半拔掉舵机。。。呵呵，软件要改进一下。

jackielau · 发表于 2011-5-3 10:49:40

好贴，需要至酷！

xingguangyouxi · 发表于 2011-5-3 13:19:07

分析的好透彻，佩服！

liang_work · 发表于 2011-5-6 23:22:52

好贴,出来了,也要顶.

voval · 发表于 2011-5-6 23:46:21

mark~

aydali · 发表于 2011-5-7 00:15:35

:
高手，顶一个。

chrisforbt · 发表于 2011-5-8 23:39:25

第一个Mark!

sunicecream · 发表于 2011-5-8 23:52:58

高手呀，记号一样~~~

nierui · 发表于 2011-8-24 11:35:56

在5imx上看到，mark一下

HYZ1989 · 发表于 2011-8-24 12:09:31

mark ,用0欧电阻代替可否？

lansha027 · 发表于 2011-8-24 15:47:33

软件能下到吗？

luweixuan · 发表于 2011-8-29 00:31:44

mark 舵机测试

HYLG · 发表于 2011-8-29 00:50:45

不错。

gale · 发表于 2011-8-30 09:20:38

回复【40楼】HYZ1989
mark ,用0欧电阻代替可否？
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这是电流采样，需要有一点电阻。。。用0欧不太好。

416446891 · 发表于 2011-8-30 21:02:01

mark

Cortex_M3 · 发表于 2011-10-7 03:22:09

mark

xsq53602 · 发表于 2011-10-21 20:25:36

回复【楼主位】gale
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从51mx找到这来的，楼主果然给力，赞一个！

xsq53602 · 发表于 2011-10-22 12:05:14

回复【10楼】gale
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a点的时间怎么确定？

flyunlimit · 发表于 2011-11-3 08:48:49

大清早的发现不少好帖子，果断标记

zhangchaoying · 发表于 2011-11-6 13:14:19

weather211 · 发表于 2011-11-8 10:30:29

好东西。。

gale · 发表于 2011-12-14 19:58:23

回复【48楼】xsq53602
回复【10楼】gale
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a点的时间怎么确定？
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带消抖判断可以得到b点对吧。。。然后减去消抖动时间。。。。

qiufeng · 发表于 2011-12-14 20:07:48

回复【22楼】gale
原理图和制作等，我都发博客了
http://blog.ednchina.com/galee/
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进不去，是不是写错？

gale · 发表于 2011-12-27 14:04:22

回复【53楼】qiufeng 秋枫
回复【22楼】gale
原理图和制作等，我都发博客了
http://blog.ednchina.com/galee/
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进不去，是不是写错？
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碰上EDN改版了！

http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_2029373.HTM

ledatou · 发表于 2012-2-9 19:52:15

此帖不酷，天理难容！！！

oldmen · 发表于 2012-2-9 21:33:10

回复【55楼】ledatou
此帖不酷，天理难容！！！
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dongjiakuan · 发表于 2012-2-18 10:12:48

回复【2楼】gale
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顶顶楼主我要你的QQ号我要你的QQ号

dongjiakuan · 发表于 2012-2-18 10:14:53

回复【楼主位】gale
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楼主快出来不方便的话就加我 360288148 我等你再顶加我的时候说下死区谢谢

fsclub · 发表于 2012-12-3 12:35:08

迟到的帮顶！

dqlm016 · 发表于 2014-9-17 13:44:52

看了楼主的博客，好东西怎么沉了呢？帮忙把下位机代码、上位机源码和驱动程序贴上来吧

hamxiyue · 发表于 2014-9-17 14:39:56

帮顶，不错。

dianqi2007013 · 发表于 2014-10-18 10:12:53

好东西。。

NEXEN1106 · 发表于 2014-10-19 12:48:48

哈哈，这个东西感觉不错

zc_dl · 发表于 2016-1-11 00:10:24

学习下~

AllEle · 发表于 2016-1-11 09:56:15

不错，mk了

ardon · 发表于 2016-2-29 10:19:27

对于吾等菜鸟，原理讲述还是浅显易懂的，

!

jlcgw · 发表于 2016-2-29 10:24:30

路过

原创技术贴：舵机测试仪的设计与制作

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