ESP32 学习笔记（11）· 舵机实验

注：本系列为个人学习 ESP32 的记录，主要通过再记录的方式学习，参考和搬运转载极客侠 GeeksMan 的文章。

著作权归极客侠 GeeksMan 所有，基于 GPL 3.0 协议。原文链接：https://docs.geeksman.com/esp32/Arduino/01.esp32-arduino-intro.html

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⭐⭐舵机实验

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

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注意

注意接线顺序

软件程序设计

1. LEDC 输出 PWM 信号

首先，我们使用 LEDC 输出 PWM 信号，根据之前的实验原理，我们可以确定频率、最大脉宽 与 最小脉宽，代码如下：

// 1/20 秒，50Hz 的频率，20ms 的周期，这个变量用来存储时钟基准。
#define FREQ        50     
// 通道(高速通道（0 ~ 7）由 80MHz 时钟驱动，低速通道（8 ~ 15）由 1MHz 时钟驱动。) 
#define CHANNEL     0    
// 分辨率设置为 8，就是 2 的 8 次方，用 256 的数值来映射角度。   
#define RESOLUTION  8      
// 定义舵机 PWM 控制引脚。 
#define SERVO       13      


//定义函数用于输出 PWM 的占空比
int calculatePWM(int degree) 
{ 
    //20ms 周期内，高电平持续时长 0.5-2.5 ms，对应 0-180 度舵机角度。
    //对应 0.5ms（0.5ms/(20ms/256)）
    float min_width = 0.6 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
    //对应 2.5ms（2.5ms/（20ms/256））
    float max_width = 2.5 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
    if (degree < 0)
      degree = 0;
    if (degree > 180)
      degree = 180;
    //返回度数对应的高电平的数值
    return (int)(((max_width - min_width) / 180) * degree + min_width); 
}

void setup()
{
  // 用于设置 LEDC 通道的频率和分辨率
  ledcSetup(CHANNEL, FREQ, RESOLUTION);
  // 将通道与对应的引脚连接
  ledcAttachPin(SERVO, CHANNEL);          
}

void loop()
{
  for (int i = 0; i <= 180; i += 10)
  {
    // 输出PWM，设置 LEDC 通道的占空比。
    ledcWrite(CHANNEL, calculatePWM(i)); 
    delay(1000);
  }  
}

⭐⭐⭐ 2. 使用第三方库控制舵机

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我们可以在 VSCode 的 PlatformIO 中，根据案例了解 ESP32Servo 库的使用方法

代码如下：

#include <ESP32Servo.h>


#define SERVO_PIN   13
#define MAX_WIDTH   2500
#define MIN_WIDTH   500

// 定义 servo 对象
Servo my_servo;

void setup() {
  // 分配硬件定时器
  ESP32PWM::allocateTimer(0);
  // 设置频率
  my_servo.setPeriodHertz(50);
  // 关联 servo 对象与 GPIO 引脚，设置脉宽范围
  my_servo.attach(SERVO_PIN, MIN_WIDTH, MAX_WIDTH);
}


void loop() {
  
  my_servo.write(180);
  delay(1000);

  my_servo.write(0);
  delay(1000);
}

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