S3010伺服馬達(dá)原理與控制

1、伺服馬達(dá)原理與控制,模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)的區(qū)別,以及常見問題解決伺服馬達(dá)原理與控制1、 伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達(dá)提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低 伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2、伺服馬達(dá)的工作原理伺服馬達(dá)是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示：伺服馬達(dá)工作原理圖減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制

2、線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。3、如何控制伺服馬達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達(dá)會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms2ms之間，而低電平時間應(yīng)在5ms到20ms之間

3、，并不很嚴(yán)格，下表表示出一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系：4、伺服馬達(dá)的電源引線 電源引線有三條，如圖中所示。伺服馬達(dá)三條線中白色的線是控制線，接到控制芯片上。中間的是SERVO工作電源線（紅色），一般工作電源是5V。第三條是地線。5、伺服馬達(dá)的運(yùn)動速度 伺服馬達(dá)的瞬時運(yùn)動速度是由其內(nèi)部的直流馬達(dá)和變速齒輪組的配合決定的，在恒定的電壓驅(qū)動下，其數(shù)值唯一。但其平均運(yùn)動速度可通過分段停頓的控制方式來改變，例如，我們可把動作幅度為90o的轉(zhuǎn)動細(xì)分為128個停頓點(diǎn)，通過控制每個停頓點(diǎn)的時間長短來實現(xiàn)0o90o變化的平均速度。對于多數(shù)伺服馬達(dá)來說，速度的單位由“度

4、數(shù)/秒”來決定。 6、使用伺服馬達(dá)的注意事項 除非你使用的是數(shù)碼式的伺服馬達(dá)，否則以上的伺服馬達(dá)輸出臂位置只是一個不準(zhǔn)確的大約數(shù)。 普通的模擬微型伺服馬達(dá)不是一個精確的定位器件，即使是使用同一品牌型號的微型伺服馬達(dá)產(chǎn)品，他們之間的差別也是非常大的，在同一脈沖驅(qū)動時，不同的伺服馬達(dá)存在±10o的偏差也是正常的。 正因上述的原因，不推薦使用小于1ms及大于2ms的脈沖作為驅(qū)動信號，實際上，伺服馬達(dá)的最初設(shè)計表也只是在±45o的范圍。而且，超出此范圍時，脈沖寬度轉(zhuǎn)動角度之間的線性關(guān)系也會變差。 要特別注意，絕不可加載讓伺服馬達(dá)輸出位置超過±90o的脈沖信號，否則會損壞伺

5、服馬達(dá)的輸出限位機(jī)構(gòu)或齒輪組等機(jī)械部件。模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)的區(qū)別傳統(tǒng)模擬舵機(jī)和數(shù)字比例舵機(jī)（或稱之為標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)）的電子電路中為AA51883的鴻海微電子的系列模擬舵機(jī)專用芯片，一般都稱之為模擬舵機(jī)。模擬舵機(jī)由功率運(yùn)算放大器等接成惠斯登電橋，根據(jù)接收到模擬電壓控制指令和機(jī)械連動位置傳感器（電位器）反饋電壓之間比較產(chǎn)生的差分電壓，驅(qū)動有刷直流電機(jī)伺服電機(jī)正/反運(yùn)轉(zhuǎn)到指定位置。數(shù)字比例舵機(jī)是模擬舵機(jī)最好的類型，由直流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)控制器集成電路(IC)，減速齒輪組和反饋電位器組成，它由直流伺服電機(jī)控制芯片直接接收PWM（脈沖方波，一般周期為20ms，脈寬12 ms，脈寬1 ms為上限位置，1.

6、5ms為中位,2ms為下限位置）形式的控制驅(qū)動信號，迅速驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行位置輸出,直至直流伺服電機(jī)控制芯片檢測到位置輸出連動電位器送來的反饋電壓與PWM控制驅(qū)動信號的平均有效電壓相等,停止電機(jī)，完成位置輸出。數(shù)碼舵機(jī)電子電路中帶MCU微控制器故俗稱為數(shù)碼舵機(jī)，數(shù)碼舵機(jī)憑借比之模擬舵機(jī)具有反應(yīng)速度更快，無反應(yīng)區(qū)范圍小，定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢已逐漸取代模擬舵機(jī)在機(jī)器人、航模中得到廣泛應(yīng)用。在過去的幾年,舵機(jī)的技術(shù)發(fā)展是非常迅速的,更小的體積,更高的速度,更大的扭力,這些都是舵機(jī)發(fā)展的方向。近年出現(xiàn)的"數(shù)碼舵機(jī)",是舵機(jī)的一大進(jìn)步。下面我們介紹一下數(shù)碼舵機(jī)的一些知識,數(shù)碼舵機(jī)

7、在工作方式上的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)碼舵機(jī)比傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)，即使是使用無線圈馬達(dá)的模擬舵機(jī)，在工作方式上也有很多優(yōu)點(diǎn)。但是這些優(yōu)點(diǎn)也同時帶來了一些缺點(diǎn)。在這里，我們嘗試將為大家分析數(shù)碼舵機(jī)的好的方面和不好的方面，也為大家解除一些疑問。首先，數(shù)碼舵機(jī)和模擬舵機(jī)，在微處理器以外并沒有什么分別（微處理器用于分析從接收機(jī)的輸入信號，并控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動）。但是，我們必須認(rèn)識到數(shù)碼舵機(jī)和模擬舵機(jī)的差別其實是非常大的，雖然它們有著相同的馬達(dá)、齒輪和外殼、同樣的反饋電位器，看起來極其相似。 數(shù)碼舵機(jī)最大的差別是在于它處理接收機(jī)的輸入信號的方式。然后控制舵機(jī)馬達(dá)初始電流的方式，減少無反應(yīng)區(qū)(對小量信號無反應(yīng)的控制區(qū)域)，增加分辨

8、率以及產(chǎn)生更大的固定力量。傳統(tǒng)的舵機(jī)在空載的時候，沒有動力被傳到舵機(jī)馬達(dá)。當(dāng)有信號輸入使舵機(jī)移動，或者舵機(jī)的搖臂受到外力的時候，舵機(jī)會作出反應(yīng)，向舵機(jī)馬達(dá)傳動動力(電壓)。這種動力實際上每秒五十周期的，被調(diào)制成開/關(guān)脈沖的最大電壓，并產(chǎn)生小段小段的動力。 當(dāng)加大每一個脈沖的寬度的時候，如電子變速器的效能就會出現(xiàn)，直到最大的動力/電壓被傳送到馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動使舵機(jī)搖臂指到一個新的位置。然后，當(dāng)舵機(jī)電位器告訴電子部分它已經(jīng)到達(dá)指定的位置，那么動力脈沖就會減小脈沖寬度，并使馬達(dá)減速。直到?jīng)]有任何動力輸入，馬達(dá)完全停止。以下的三個圖表各顯示了兩個周期的開/關(guān)脈沖。 圖1是空載的情況；圖2是脈沖寬度較窄，

9、比較小的動力信號被輸入馬達(dá)；圖3是更寬，持續(xù)時間更長的脈沖，更多的輸入動力。您可以想象，一個短促的動力脈沖，緊接著很長的停頓，并不能給馬達(dá)施加多少激勵，使其轉(zhuǎn)動。這意味著如果有一個比較小的控制動作，舵機(jī)就會發(fā)送很小的初始脈沖到馬達(dá)，這是非常低效率的。這也是為什么模擬舵機(jī)有“無反應(yīng)區(qū)”的存在。比如說，舵機(jī)對于發(fā)射機(jī)的細(xì)小動作，反應(yīng)非常遲鈍，或者根本就沒有反應(yīng)。數(shù)碼舵機(jī)截然不同的優(yōu)點(diǎn)和特性_"nS|vp"c第一，因為微處理器的關(guān)系，數(shù)碼舵機(jī)可以在將動力脈沖發(fā)送到舵機(jī)馬達(dá)之前，對輸入的信號，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行處理。這意味著動力脈沖的寬度，就是說激勵馬達(dá)的動力，可以根據(jù)微處理器的程

10、序運(yùn)算而調(diào)整，以適應(yīng)不同的功能要求，并優(yōu)化舵機(jī)的性能。 第二，數(shù)碼舵機(jī)以高得多的頻率向馬達(dá)發(fā)送動力脈沖。就是說，相對與傳統(tǒng)的50脈沖/秒，現(xiàn)在是300脈沖/秒。雖然，以為頻率高的關(guān)系，每個動力脈沖的寬度被減小了，但馬達(dá)在同一時間里收到更多的激勵信號，并轉(zhuǎn)動得更快。這也意味著不僅僅舵機(jī)馬達(dá)以更高的頻率響應(yīng)發(fā)射機(jī)的信號，而且“無反應(yīng)區(qū)”變?。环磻?yīng)變得更快；加速和減速時也更迅速、更柔和；數(shù)碼舵機(jī)提供更高的精度和更好的固定力量。如果您需要您的舵機(jī)具有以下特性:更高的精度，更少的無反應(yīng)區(qū)，更準(zhǔn)確的定位；更快的控制反應(yīng)，更強(qiáng)的加速；在舵機(jī)的整行程中更平均的扭力；舵機(jī)在一個位置上更強(qiáng)的固定力量。那么，數(shù)碼舵

11、機(jī)是唯一的解決方案！常見問題解決一、舵機(jī)電機(jī)調(diào)速原理及如何加快電機(jī)速度常見舵機(jī)電機(jī)一般都為永磁直流電動機(jī)，如直流有刷空心杯電機(jī)。直流電動機(jī)有線形的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)矩-電流特性，可控性好，驅(qū)動和控制電路簡單，驅(qū)動控制有電流控制模式和電壓控制兩種模式。舵機(jī)電機(jī)控制實行的是電壓控制模式，即轉(zhuǎn)速與所施加電壓成正比，驅(qū)動是由四個功率開關(guān)組成H橋電路的雙極性驅(qū)動方式，運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)調(diào)節(jié)供給直流電動機(jī)的電壓大小和極性，實現(xiàn)對電動機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)方向（正/反轉(zhuǎn)）的控制。電機(jī)的速度取決于施加到在電機(jī)平均電壓大小，即取決于PWM驅(qū)動波形占空比（占空比為脈寬/周期的百分比）的大小，加大占空比，電機(jī)加

12、速，減少占空比電機(jī)減速。所以要加快電機(jī)速度：1、加大電機(jī)工作電壓；2、降低電機(jī)主回路阻值，加大電流；二者在舵機(jī)設(shè)計中要實現(xiàn)，均涉及在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求情況下重新選擇舵機(jī)電機(jī)。二、數(shù)碼舵機(jī)的反應(yīng)速度為何比模擬舵機(jī)快很多模友錯誤以為：“數(shù)碼舵機(jī)的PWM驅(qū)動頻率300Hz比模擬舵機(jī)的50Hz高6倍，則舵機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速快6倍，所以數(shù)碼舵機(jī)的反應(yīng)速度就比模擬舵機(jī)快6倍”。這里請大家注意占空比的概念，脈寬為每周期有效電平時間，占空比為脈寬/周期的百分比，所以大小與頻率無關(guān)。占空比決定施加在電機(jī)上的電壓，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，就決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，與PWM的頻率無關(guān)。模擬舵機(jī)是直流伺服電機(jī)控制器芯片一般只能接收50Hz頻率

13、（周期20ms）300Hz左右的PWM外部控制信號，太高的頻率就無法正常工作了。若PWM外部控制信號為50Hz，則直流伺服電機(jī)控制器芯片獲得位置信息的分辨時間就是20ms，比較PWM控制信號正比的電壓與反饋電位器電壓得出差值,該差值經(jīng)脈寬擴(kuò)展(占空比改變,改變大小正比于差值)后驅(qū)動電機(jī)動作，也就是說由于受PWM外部控制信號頻率限制，最快20ms才能對舵機(jī)搖臂位置做新的調(diào)整。數(shù)碼舵機(jī)通過MCU可以接收比50Hz頻率（周期20ms）快得多的PWM外部控制信號，就可在更短的時間分辨出PWM外部控制信號的位置信息，計算出PWM信號占空比正比的電壓與反饋電位器電壓的差值，去驅(qū)動電機(jī)動作，做舵機(jī)搖臂位置最

14、新調(diào)整。結(jié)論：不管是模擬還是數(shù)碼舵機(jī)，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于驅(qū)動信號占空比大小而與頻率無關(guān)。數(shù)碼舵機(jī)可接收更高頻率的PWM外部控制信號，可在更短的周期時間后獲得位置信息，對舵機(jī)搖臂位置做最新調(diào)整。所以說數(shù)碼舵機(jī)的反應(yīng)速度比模擬舵機(jī)快，而不是驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速比模擬舵機(jī)快。三、數(shù)碼舵機(jī)的無反應(yīng)區(qū)范圍為何比模擬舵機(jī)小根據(jù)上述對模擬舵機(jī)的分析可知模擬舵機(jī)約20ms才能做一次新調(diào)整。而數(shù)碼舵機(jī)以更高頻率的PWM驅(qū)動電機(jī)。PWM頻率的加快使電機(jī)的啟動/停止，加/減速更柔和，更平滑，更有效的為電機(jī)提供啟動所需的轉(zhuǎn)矩。就象是汽車獲得了更小的油門控制區(qū)間，則啟動/停止，加/減速性能更好。所以數(shù)碼舵機(jī)的無反

15、應(yīng)區(qū)比模擬舵機(jī)小。四、模擬舵機(jī)加裝數(shù)碼舵機(jī)驅(qū)動板并未提升反應(yīng)速度根據(jù)以上分析可知，模擬舵機(jī)加裝數(shù)碼舵機(jī)驅(qū)動板，要提升反應(yīng)速度，PMW外部控制信號（如陀螺儀送來的尾舵機(jī)信號）的頻率必須加快，如果還是50Hz，那舵機(jī)反應(yīng)速度當(dāng)然就沒提升了。五、如何選擇舵機(jī)電機(jī)舵機(jī)電機(jī)按直流伺服電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)選用，根據(jù)電機(jī)種類、負(fù)載力矩、轉(zhuǎn)速、工作電壓等要求。舵機(jī)一般都用空心杯電動機(jī)，有用有刷的，也有用無刷無感的。空心杯電動機(jī)屬于直流永磁、伺服微特電機(jī)，與普通電機(jī)的主要區(qū)別采用是無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。具有以下優(yōu)勢： 1、最大的能量轉(zhuǎn)換效率(衡量其節(jié)能特性的指標(biāo))：其效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90%以上

16、（普通鐵芯電機(jī)在15-50%）； 2、激活、制動迅速，響應(yīng)極快：機(jī)械時間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達(dá)到10毫秒以內(nèi)，在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈敏； 3、可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性：自適應(yīng)能力強(qiáng)，自身轉(zhuǎn)速波動能控制在2%以內(nèi)； 4、電磁干擾少：采用高品質(zhì)的電刷、換向器結(jié)構(gòu)，換向火花小，可以免去附加的抗干擾裝置； 5、能量密度大：與同等功率的鐵芯電機(jī)相比，其重量、體積減輕1/3-1/2；轉(zhuǎn)速-電壓、轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩-電流等對應(yīng)參數(shù)都呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。六、如何選擇舵機(jī)反饋電位器舵機(jī)反饋電位器按種類、精度，耐用性的標(biāo)準(zhǔn)選用，導(dǎo)電塑料電位器的精度和耐磨程度大大優(yōu)于其他如線繞電位器類型。七、

17、舵機(jī)控制死區(qū)、滯環(huán)、定位精度、輸入信號分辨率、回中性能的認(rèn)識每一個閉環(huán)控制系統(tǒng)由于信號的振蕩等原因，輸入信號和反饋信號不可能完全相等，這就涉及到控制死區(qū)和滯環(huán)的問題，系統(tǒng)無法辨別輸入信號和反饋信號的差異范圍就是控制死區(qū)范圍。舵機(jī)自動控制系統(tǒng)由于信號震蕩、機(jī)械精度等原因造成控制系統(tǒng)在控制死區(qū)范圍外的小范圍老是做調(diào)整，為使舵機(jī)在小范圍內(nèi)不對震蕩做調(diào)整，這就需要引入滯環(huán)的作用了。滯環(huán)比控制死區(qū)大，一般控制死區(qū)范圍為±0.4%，滯環(huán)可設(shè)置為±2%，輸入信號和反饋信號的差值在滯環(huán)內(nèi)電機(jī)不動作，輸入信號和反饋信號的差值進(jìn)入滯環(huán)，電機(jī)開始制動-停止。定位精度取決于舵機(jī)系統(tǒng)的整體精度：如控制死區(qū)、機(jī)械精度、反饋電位器精度、輸入信號分辨率。輸入信號分辨率指舵機(jī)系統(tǒng)對輸入信號最小分辨范圍，數(shù)碼舵機(jī)輸入信號分辨率大大優(yōu)于模擬舵機(jī)。回中性能取決于滯環(huán)和定位精度。八、舵機(jī)為何會老發(fā)出吱吱的響聲舵機(jī)老發(fā)出吱吱的來回定位調(diào)整響聲，是由于有的舵機(jī)無滯環(huán)調(diào)節(jié)功能，控制死區(qū)范圍調(diào)得小，只要輸入信號和反饋信號老是波動，它們的差值超出控制死區(qū)，舵機(jī)就發(fā)出信號驅(qū)動電機(jī)。另沒有滯環(huán)調(diào)節(jié)功能