伺服馬達原理與控制

1、伺服馬達原理與控制,模擬舵機和數(shù)字舵機的區(qū)別 , 以及常見問題解決伺服馬達原理與控制1、 伺服馬達內(nèi)部結(jié)構(gòu)伺服馬達內(nèi)部包括了一個小型直流馬達； 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內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2、伺服馬達的工作原理伺服馬達是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示：伺服馬達工作原理圖減速齒輪組由馬達驅(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

2、電壓反饋給控制線路板， 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，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。3、如何控制伺服馬達標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達有三條控制線， 分別為： 電源、 地及控制。 電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路所需的能源， 電壓通常介于 4V 6V 之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音） 。甚至小伺服馬達在重負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之間，而低電

3、平時間應(yīng)在5ms 到 20ms 之間，并不很嚴(yán)格，下表表示出一個典型的期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關(guān)系：1ms2ms20ms 周±45o 的范圍。而且，超出此范圍時，脈沖寬度轉(zhuǎn)動角度之間4、伺服馬達的電源引線電源引線有三條， 如圖中所示。 伺服馬達三條線中紅色的線是控制線，中間的是 SERVO 工作電源線，一般工作電源是 5V 。 第三條是地線接到控制芯片上。5、伺服馬達的運動速度伺服馬達的瞬時運動速度是由其內(nèi)部的直流馬達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

4、轉(zhuǎn)動細分為128 個停頓點，通過控制每個停頓點的時間長短來實現(xiàn)0o 90o 變化的平均速度。對于多數(shù)伺服馬達來說，速度的單位由“度數(shù) /秒 ”來決定。6、使用伺服馬達的注意事項除非你使用的是數(shù)碼式的伺服馬達， 否則以上的伺服馬達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，伺服馬達的最初設(shè)計表也只是在的線性關(guān)系也會變差。要特別注意，絕不可

5、加載讓伺服馬達輸出位置超過±90o 的脈沖信號，否則會損壞伺服馬達的輸出限位機構(gòu)或齒輪組等機械部件。模擬舵機和數(shù)字舵機的區(qū)別傳統(tǒng)模擬舵機和數(shù)字比例舵機 （或稱之為標(biāo)準(zhǔn)舵機） 的電子電路中為 AA51883的鴻海微電子的系列模擬舵機專用芯片， 一般都稱之為模擬舵機。 模擬舵機由功率運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)動有刷直流電機伺服電機正 / 反運轉(zhuǎn)到指定位置。數(shù)字比例舵機是模擬舵機最好的類型， 由直流伺服電機、 直流伺服電機控制器集成電路 (IC) ，減速齒輪組和反饋電位器組成，它由直流伺服電機

6、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， 1.5ms 為中位 ,2ms 為下限位置） 形式的控制驅(qū)動信號，迅速驅(qū)動電機執(zhí)行位置輸出 , 直至直流伺服電機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，完成位置輸出。數(shù)碼舵機電子電路中帶 MCU微控制器故俗稱為數(shù)碼舵機， 數(shù)碼舵機憑借比之模擬舵機具有反應(yīng)速度更快， 無反應(yīng)區(qū)范圍小， 定位精度高， 抗干擾能力強等優(yōu)勢已逐漸取代模擬舵機在機器人、航模中得到廣泛應(yīng)用。在過去的幾年, 舵機的技術(shù)發(fā)展是非常迅速的, 更小的體積 , 更高的速度

7、, 更大的扭力 , 這些都是舵機發(fā)展的方向。近年出現(xiàn)的 " 數(shù)碼舵機 ", 是舵機的一大進步。下面我們介紹一下數(shù)碼舵機的一些知識 , 數(shù)碼舵機在工作方式上的優(yōu)點：數(shù)碼舵機比傳統(tǒng)的模擬舵機，即使是使用無線圈馬達的模擬舵機，在工作方式上也有很多優(yōu)點。 但是這些優(yōu)點也同時帶來了一些缺點。 在這里， 我們嘗試將為大家分析數(shù)碼舵機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)碼舵機和模擬舵機， 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的輸入信號，并控制馬達轉(zhuǎn)動） 。但是，我們必須認識到數(shù)碼舵機和模擬舵機的差別其實是非常大的， 雖然它們有著相同的馬達、齒輪和外殼

8、、 同樣的反饋電位器，看起來極其相似。 數(shù)碼舵機最大的差別是在于它處理接收機的輸入信號的方式。然后控制舵機馬達初始電流的方式， 減少無反應(yīng)區(qū) ( 對小量信號無反應(yīng)的控制區(qū)域 ) ，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量。傳統(tǒng)的舵機在空載的時候， 沒有動力被傳到舵機馬達。 當(dāng)有信號輸入使舵機移動， 或者舵機的搖臂受到外力的時候， 舵機會作出反應(yīng)， 向舵機馬達傳動動力 ( 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，馬達轉(zhuǎn)動使舵機搖臂指到一個新的

9、位置。 然后，當(dāng)舵機電位器告訴電子部分它已經(jīng)到達指定的位置，那么動力脈沖就會減小脈沖寬度，并使馬達減速。直到?jīng)]有任何動力輸入，馬達完全停止。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，比較小的動力信號被輸入馬達； 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， 舵機就會發(fā)送很小的初始脈沖到馬達， 這是非常低效率的。這也是為什么模擬舵機有“無反應(yīng)區(qū)”的存在。比如說，舵機對于發(fā)射機的細小動作，反應(yīng)非常遲鈍，或

10、者根本就沒有反應(yīng)。數(shù)碼舵機截然不同的優(yōu)點和特性第一， 因為微處理器的關(guān)系， 數(shù)碼舵機可以在將動力脈沖發(fā)送到舵機馬達之前， 對輸入的信號，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行處理。 這意味著動力脈沖的寬度，就是說激勵馬達的動力，可以根據(jù)微處理器的程序運算而調(diào)整，以適應(yīng)不同的功能要求，并優(yōu)化舵機的性能。第二，數(shù)碼舵機以高得多的頻率向馬達發(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馬達以更高的頻率響應(yīng)發(fā)射機的信號，而且“無反應(yīng)區(qū)”變??；反應(yīng)變得更快；加速和減速

11、時也更迅速、更柔和；數(shù)碼舵機提供更高的精度和更好的固定力量。如果您需要您的舵機具有以下特性: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)，更強的加速；在舵機的整行程中更平均的扭力；舵機在一個位置上更強的固定力量。那么，數(shù)碼舵機是唯一的解決方案！常見問題解決一、舵機電機調(diào)速原理及如何加快電機速度常見舵機電機一般都為永磁直流電動機，如直流有刷空心杯電機。直流電動機有線形的轉(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。 舵機電機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

12、極性驅(qū)動方式，運用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)調(diào)節(jié)供給直流電動機的電壓大小和極性，實現(xiàn)對電動機的速度和旋轉(zhuǎn)方向（正/ 反轉(zhuǎn)）的控制。電機的速度取決于施加到在電機平均電壓大小，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，電機加速，減少占空比電機減速。所以要加快電機速度： 1、加大電機工作電壓； 2、降低電機主回路阻值，加大電流；二者在舵機設(shè)計中要實現(xiàn)，均涉及在滿足負載轉(zhuǎn)矩要求情況下重新選擇舵機電機。二、數(shù)碼舵機的反應(yīng)速度為何比模擬舵機快很多模友錯誤以為：“數(shù)碼舵機的PWM驅(qū)動頻率 300Hz 比模擬舵機的 50Hz 高 6 倍，則舵機電機轉(zhuǎn)速快 6 倍，所以數(shù)

13、碼舵機的反應(yīng)速度就比模擬舵機快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上的電壓，在負載轉(zhuǎn)矩不變時， 就決定電機轉(zhuǎn)速，與 PWM的頻率無關(guān)。模擬舵機是直流伺服電機控制器芯片一般只能接收50Hz 頻率（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)脈寬擴展 ( 占空比改變 , 改變大小正比于差值) 后驅(qū)動電機

14、動作，也就是說由于受PWM外部控制信號頻率限制，最快20ms 才能對舵機搖臂位置做新的調(diào)整。數(shù)碼舵機通過 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)動電機動作，做舵機搖臂位置最新調(diào)整。結(jié)論： 不管是模擬還是數(shù)碼舵機，在負載轉(zhuǎn)矩不變時，電機轉(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， 對舵機搖臂位置做最新調(diào)整。所以說數(shù)碼舵機的反應(yīng)速度比模擬舵機快，而不是驅(qū)動電機轉(zhuǎn)

15、速比模擬舵機快。三、數(shù)碼舵機的無反應(yīng)區(qū)范圍為何比模擬舵機小根據(jù)上述對模擬舵機的分析可知模擬舵機約20ms才能做一次新調(diào)整。而數(shù)碼舵機以更高頻率的 PWM驅(qū)動電機。 PWM頻率的加快使電機的啟動/ 停止，加 / 減速更柔和，更平滑，更有效的為電機提供啟動所需的轉(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)碼舵機的無反應(yīng)區(qū)比模擬舵機小。四、模擬舵機加裝數(shù)碼舵機驅(qū)動板并未提升反應(yīng)速度根據(jù)以上分析可知，模擬舵機加裝數(shù)碼舵機驅(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信號）的頻率必須加快，如果還是 50Hz，那舵機反應(yīng)速度當(dāng)然就沒提升了。五

16、、如何選擇舵機電機舵機電機按直流伺服電機的標(biāo)準(zhǔn)選用，根據(jù)電機種類、負載力矩、轉(zhuǎn)速、工作電壓等要求。舵機一般都用空心杯電動機，有用有刷的，也有用無刷無感的?？招谋妱訖C屬于直流永磁、 伺服微特電機， 與普通電機的主要區(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)品可達到 90%以上（普通鐵芯電機在 15-50%）；2、激活、制動迅速，響應(yīng)極快：機械時間常數(shù)小于28 毫秒，部分產(chǎn)品可以達到10 毫秒以內(nèi)，在推薦運行區(qū)域內(nèi)的高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈敏；3、可靠的運行穩(wěn)定性：自適應(yīng)能力強，自身轉(zhuǎn)速波動能

17、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、如何選擇舵機反饋電位器舵機反饋電位器按種類、 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、舵機控制死區(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

18、控制死區(qū)范圍。舵機自動控制系統(tǒng)由于信號震蕩、機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)電機不動作，輸入信號和反饋信號的差值進入滯環(huán)，電機開始制動- 停止。定位精度取決于舵機系統(tǒng)的整體精度：如控制死區(qū)、機械精度、反饋電位器精度、輸入信號分辨率。輸入信號分辨率指舵機系統(tǒng)對輸入信號最小分辨范圍，數(shù)碼舵機輸入信號分辨率大大優(yōu)于模擬舵機。回中性能取決于滯環(huán)和定位精度。八、舵機為何會老發(fā)出吱吱的響聲舵機老發(fā)出吱吱的來回定位調(diào)整響聲， 是由于有的舵機無滯環(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)， 舵機就發(fā)出信號驅(qū)動電機