舵机SG90详解

舵机，也叫伺服电机，在嵌入式开发中，舵机作为一种常见的运动控制组件，具有广泛的应用。其中，SG90 舵机以其高效、稳定的性能特点，成为了许多工程师和爱好者的首选，无论是航模、云台、机器人、智能小车中都有它的身影。

本文将深入探讨SG90舵机的技术规格、工作原理和使用方法，为您展现 SG90 舵机的功能和无限可能。

1. 源码下载及前置阅读

本文所涉及的源码及安装包如下（由于平台限制，请点击以下链接阅读原文下载）：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/sg90-tutorial.html

如果你是嵌入式开发小白，那么建议你先读读下面几篇文章。

• 了解不同的下载程序方法，为你的嵌入式开发提供更多选择：STM32下载程序的五种方法

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往期精彩教程，有兴趣的小伙伴可以看看。

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• 深入浅出，帮助您理解和应用MQTT协议：万字猛文：MQTT原理及案例

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电子书链接：https://www.lxlinux.net/1024.html

2. SG90介绍

2.1 型号介绍

市面上常见的舵机型号有 SG90、MG90S、MG995、MG996R 等等，主要是扭矩大小、工作电压大小、齿轮材质塑料或金属的不同。

一般分为180度和360度：

• 180度：可以控制旋转角度、有角度定位。上电后舵机自动复位到0度，通过一定参数的脉冲信号控制它的角度。

• 360°舵机版本不可控制角度，只能控制顺时针旋转、逆时针旋转、停止和调节转速。

我们今天的主角是 SG90，180度版。

2.2 工作参数及引脚介绍

工作参数如下：

• 工作扭矩：1.6kg/cm

• 反应速度：0.12 - 0.13秒/60°

• 死区设定：5us

• 转动角度：常见0°、90°、180°、360°

• 齿轮材质：尼龙塑料齿

• 工作电压：3V - 6V

• 温度范围：-30° ~ +60°

引脚接线参考如下：

3. SG90原理

舵机的控制信号是通过脉冲宽度调制（PWM）来实现的。PWM 信号的周期通常为20ms，而脉冲宽度则在 0.5ms 至 2.5ms 之间变化。这个脉冲宽度与舵盘的位置呈线性关系，范围从0度到180度。

当给舵机提供特定宽度的脉冲信号时，输出轴会保持在相应的角度上，不受外界转矩的影响，直到接收到不同宽度的脉冲信号才会改变输出角度，使舵盘移动到新的位置。舵机内部有一个基准电路，产生周期为 20ms、宽度为 1.5ms 的基准信号。同时，还有一个比较器，用于将外部输入信号与基准信号进行比较，以确定转动方向和幅度，并生成驱动电机转动的信号。

控制电路板接收来自信号线的 PWM 控制信号，然后控制电机的转动。电机带动一系列齿轮组，在经过减速传动后，将力量传递到输出舵盘上。舵机的输出轴与位置反馈电位计相连，当舵盘旋转时，位置反馈电位计也会随之变化，向控制电路板输出电压信号进行反馈。控制电路板根据位置反馈信号判断当前位置，并决定电机的转动方向和速度，以实现目标停止。

为了控制舵机，需要使用单片机来生成周期为 20ms 的脉冲信号，并通过控制脉冲的高电平时间在 0.5ms 至 2.5ms 之间来控制舵机的角度。这样，我们可以通过调整 PWM 信号的脉冲宽度来精确控制舵机的位置和运动。

以 SG90，180度版为例，那么对应的控制关系是这样的：

4. 编程实战

现在我们就动手，让 SG90 每秒转动一下，0° -> 20° -> 40° -> 100° -> 180° 如此循环。

4.1 硬件接线

本教程使用的硬件如下：

• 单片机：STM32F103C8T6

• 舵机：SG90

• 烧录器：ST-LINK V2

接线如下：

烧录的时候接线如下表，如果不会烧录的话可以看我之前的文章【STM32下载程序的五种方法】。

接好如下图：

我用的是我自己打的板子，上官二号。大家可以用自己的板子，是 STM32F103C8T6 就行。

4.2 舵机初始化

将舵机 PWM 引脚进行一个初始化。

void SG_Init(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;                           /* PWM引脚 */

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;                     /* 复用推挽 */

    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;                /* 低速 */

    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);                     /* 初始化PWM引脚 */

}

4.3 定时器初始化

我们 PWM 引脚接 A0，对应的是定时器2和通道1，以下是初始化代码。

void TIM2_Init(void)

{

    //PA0     ------> TIM2_CH1

    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};            /* 定时器设置结构体 */

    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

    htim2.Instance = TIM2;                                      /* 通用定时器2 */

    htim2.Init.Prescaler = 7199;                                /* 预分频系数 */

    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;                /* 递增计数模式 */

    htim2.Init.Period = 199;                                    /* 自动装载值 */

    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;          /* 时钟分频因子 */

    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;

    HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig);

    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;

    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;

    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);

    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;

    sConfigOC.Pulse = 0;

    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;

    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;

    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

}

void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)

{

    if(tim_baseHandle->Instance==TIM2)

    {

        /* 定时器2时钟使能 */

        __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

    }

}

4.4 舵机控制

已知 PWM 信号的周期为20ms；高电平 0.5ms 指向 0° 位置，2.5ms 指向 180° 位置。如果我们要指向 angle°：

2.5-0.5=2ms，对应于180°

CCRx / (199 + 1)  * 20 = 0.5 +（angle / 180）× 2

于是 CCRx =(1.0 / 9.0) * angle + 5.0

void SG_Control(uint16_t angle)

{

   float CCRx;

   CCRx =(1.0 / 9.0) * angle + 5.0;                             //占空比值 = 1/9 * 角度 + 5

   __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, (uint16_t )CCRx);

}

4.5 主函数

主函数如下：

int main(void)

{

    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */

    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */

    delay_init(72);                     /* 延时初始化 */

    TIM2_Init();                        /* 定时器4初始化 */

    SG_Init();                          /* 舵机初始化 */

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);

    while(1)

    {

        SG_Control(0);                  //舵机旋转到0度

        HAL_Delay(1000);

        SG_Control(20);                 //舵机旋转到20度

        HAL_Delay(1000);

        SG_Control(40);                 //舵机旋转到40度

        HAL_Delay(1000);

        SG_Control(100);                //舵机旋转到100度

        HAL_Delay(1000);

        SG_Control(180);                //舵机旋转到180度

        HAL_Delay(1000);

    }

}

4.6 运行效果

SG90 每秒转动一下，0° -> 20° -> 40° -> 100° -> 180° 如此循环。

5. 总结

通过了解 SG90 舵机的工作原理和特点，我们可以更好地利用它的潜力，为我们的项目带来更多可能性和创新。无论是初学者还是专业工程师，SG90 舵机都是一个很不错的模块，它可以帮助我们实现精确的位置控制和稳定的运动性能。