舵機(jī)工作原理

1、舵機(jī)工作原理 標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2所示。以日本FUTABA-S3003型舵機(jī)為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機(jī)的內(nèi)部電路。3003舵機(jī)的工作原理是：PWM信號(hào)由接收通道進(jìn)入信號(hào)解調(diào)電路BA6688的12腳進(jìn)行解調(diào)，獲得一個(gè)直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路BAL6686，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器Rw1旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化，改變舵機(jī)的位置。有個(gè)很有趣的技術(shù)話題可以稍微提一下，就是BA

2、6688是有EMF控制的，主要用途是控制在高速時(shí)候電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。原理是這樣的: 收到1個(gè)脈沖以后，BA6688內(nèi)部也產(chǎn)生1個(gè)以5K電位器實(shí)際電壓為基準(zhǔn)的脈沖，2個(gè)脈沖比較以后展寬，輸出給驅(qū)動(dòng)使用。當(dāng)輸出足夠時(shí)候，馬達(dá)就開始加速，馬達(dá)就能產(chǎn)生EMF，這個(gè)和轉(zhuǎn)速成正比的。因?yàn)槿〉氖侵行碾妷?，所以正常不能檢測到的，但是運(yùn)行以后就電平發(fā)生傾斜，就能檢測出來。超過EMF判斷電壓時(shí)候就減小展寬，甚至關(guān)閉，讓馬達(dá)減速或者停車。這樣的好處是可以避免過沖現(xiàn)象(就是到了定位點(diǎn)還繼續(xù)走,然后回頭,再靠近) 一些國產(chǎn)便宜舵機(jī)用的便宜的芯片，就沒有EMF控制，馬達(dá)、齒輪的機(jī)械慣性就容易發(fā)生過沖現(xiàn)象，產(chǎn)生抖舵電源線和地線

3、用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源電壓通常介于46V，一般取5V。注意，給舵機(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖3來表示?？勺兠}寬輸出試驗(yàn)(舵機(jī)控制)原創(chuàng)：xidongs 整理：armok / 2004-12-05 / www.OurAVR.com 內(nèi)容簡介：舵機(jī)：英文叫Servo，臺(tái)灣及香港中文稱伺服機(jī)。在航模及自動(dòng)控制中，舵機(jī)擔(dān)當(dāng)著重要的作用。舵機(jī)由

4、無核心馬達(dá)所構(gòu)成，可依據(jù)接收機(jī)發(fā)出的指令，轉(zhuǎn)動(dòng)至定點(diǎn)的位置，是各個(gè)舵面的動(dòng)力來源。伺服機(jī)的規(guī)格主要是扭力與速度，扭力的單位是/，意指擺臂長度1公分處所能吊起的物重。速度的單位是秒/60°，意指轉(zhuǎn)動(dòng)60°所需要的秒數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中控制舵機(jī)的 PWM 由 M16 的 PB.0 輸出，8M 晶體，vcc：5v，僅使用一個(gè)八位定時(shí)器 timer2，波形比較準(zhǔn)確，用示波器和實(shí)測都已經(jīng)通過。 分辨率為20微秒。伺服馬達(dá)的控制：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4V-6V之間，該 電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)

5、的電源隔離(因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音)。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理?？刂凭€輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1ms-2ms之間。而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms到20ms間，并不很嚴(yán)格。下表表示出一個(gè)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：以下是形象的示意圖：電路圖： 舵機(jī)工作原理1、概述 舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中。在航空模型中，飛行機(jī)的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和各個(gè)控制舵面來實(shí)現(xiàn)的。舉個(gè)簡單的四通飛機(jī)來說，飛機(jī)上有以下幾個(gè)地方需要控制： 1.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力（或

6、推力）； 2.副翼舵面（安裝在飛機(jī)機(jī)翼后緣），用來控制飛機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)； 3.水平尾舵面，用來控制飛機(jī)的俯仰角； 4.垂直尾舵面，用來控制飛機(jī)的偏航角； 遙控器有四個(gè)通道，分別對(duì)應(yīng)四個(gè)舵機(jī)，而舵機(jī)又通過連桿等傳動(dòng)元件帶動(dòng)舵面的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。舵機(jī)因此得名：控制舵面的伺服電機(jī)。 不僅在航模飛機(jī)中，在其他的模型運(yùn)動(dòng)中都可以看到它的應(yīng)用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。由此可見，凡是需要操作性動(dòng)作時(shí)都可以用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)。2、結(jié)構(gòu)和控制 一般來講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路板等。 工作原理：控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)

7、（具體信號(hào)待會(huì)再講），控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 舵機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是這樣，但實(shí)現(xiàn)起來有很多種。例如電機(jī)就有有刷和無刷之分，齒輪有塑料和金屬之分，輸出軸有滑動(dòng)和滾動(dòng)之分，殼體有塑料和鋁合金之分，速度有快速和慢速之分，體積有大中小三種之分等等，組合不同，價(jià)格也千差萬別。例如，其中小舵機(jī)一般稱作微舵，同種材料的條件下是中型的一倍多，金屬齒輪是塑料齒輪的一倍多。需要根據(jù)需要選用不同類

8、型。 舵機(jī)的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)，即輸出力矩不同，6.0V對(duì)應(yīng)的要大一些，具體看應(yīng)用條件；另外一根線是控制信號(hào)線，F(xiàn)utaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點(diǎn)，SANWA的某些型號(hào)的舵機(jī)引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認(rèn)。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會(huì)搞錯(cuò)。 舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一

9、定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。比方說機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。 常見的舵機(jī)廠家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，國產(chǎn)的有北京的新幻想、吉林的振華等?，F(xiàn)舉Futaba S3003來介紹相關(guān)參數(shù)，以供大家設(shè)計(jì)時(shí)選

10、用。之所以用3003是因?yàn)檫@個(gè)型號(hào)是市場上最常見的，也是價(jià)格相對(duì)較便宜的一種（以下數(shù)據(jù)摘自Futaba產(chǎn)品手冊）。 尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm 重 量(Weight)： 37.2 g 工作速度(Operating speed)：0.23 sec/60°(4.8V) 0.19 sec/60°(6.0V) 輸出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V) 4.1 kg.cm (6.0V)由此可見，舵機(jī)具有以下一些特點(diǎn)： >體積緊湊，便于安裝； >輸出力矩大，穩(wěn)定性好； >控

11、制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口； 正是因?yàn)槎鏅C(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，所以，現(xiàn)在不僅僅應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中，已經(jīng)擴(kuò)展到各種機(jī)電產(chǎn)品中來，在機(jī)器人控制中應(yīng)用也越來越廣泛。3、用單片機(jī)來控制 正是舵機(jī)的控制信號(hào)是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)的數(shù)字設(shè)備都可以用來控制舵機(jī)，比方PLC、單片機(jī)等。這里介紹利用51系列單片機(jī)產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號(hào)來進(jìn)行控制的方法，編程語言為C51。之所以介紹這種方法只是因?yàn)楣P者用2051實(shí)現(xiàn)過，本著負(fù)責(zé)的態(tài)度，所以敢在這里寫出來。程序用的是我的四足步行機(jī)器人，有刪改。單片機(jī)并不是控制舵機(jī)的最好的方法，希望在此能起到拋磚引玉的作用。 2051有兩個(gè)16位

12、的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，我們就用它來產(chǎn)生周期20 ms的脈沖信號(hào)，根據(jù)需要，改變輸出脈寬?；舅悸啡缦拢ㄕ?qǐng)對(duì)照下面的程序）： 我用的晶振頻率為12M，2051一個(gè)時(shí)鐘周期為12個(gè)晶振周期，正好是1/1000 ms，計(jì)數(shù)器每隔1/1000 ms計(jì)一次數(shù)。以計(jì)數(shù)器1為例，先設(shè)定脈寬的初始值，程序中初始為1.5ms，在for循環(huán)中可以隨時(shí)通過改變a值來改變，然后設(shè)定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初始值為a，并置輸出p12為高位。當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器溢出中斷函數(shù)，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函數(shù)中，改變輸出p12為反相（此時(shí)跳為低位），在用20000（代表20ms周期）減

13、去高位用的時(shí)間a，就是本周期中低位的時(shí)間，c=20000-a，并設(shè)定此時(shí)的計(jì)數(shù)器初值為c，直到定時(shí)器再次產(chǎn)生溢出中斷，重復(fù)上一過程。# include <reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned intuint a,b,c,d; /*a為舵機(jī)1的脈沖寬度，b為舵機(jī)2的脈沖寬度，單位1/1000 ms */ /*c、d為中間變量*/*以下定義輸出管腳*/ sbit p12=P12; sbit p13=p13; sbit p37=P37;/*以下兩個(gè)函數(shù)為定時(shí)器中斷函數(shù)*/*定時(shí)器1，控制舵機(jī)1，輸出引腳為P1

14、2，可自定義*/ void timer0(void) interrupt 1 using 1 p12=!p12; /*輸出取反*/ c=20000-c; /*20000代表20 ms，為一個(gè)周期的時(shí)間*/ TH0=-(c/256); TL0=-(c%256); /*重新定義計(jì)數(shù)初值*/ if(c>=500&&c<=2500)c=a; else c="20000-a" /*判斷脈寬是否在正常范圍之內(nèi)*/ /*定時(shí)器2，控制舵機(jī)2，輸出引腳為P13，可自定義*/ void timer1(void) interrupt 3 using 1 p13=!p

15、13; d=20000-d; TH1=-(d/256); TL1=-(d%256); if(d>=500&&d<=2500)d=b; else d="20000-b" /*主程序*/ void main(void) TMOD=0x11; /*設(shè)初值*/ p12=1; p13=1; a=1500; b=1500; /*數(shù)值1500即對(duì)應(yīng)1.5ms，為舵機(jī)的中間90度的位置*/ c=a;d=b; TH0=-(a/256); TL0=-(a%256); TH1=-(b/256); TL1=-(b%256); /*設(shè)定定時(shí)器初始計(jì)數(shù)值*/ EA=1; E

16、T0=1; TR0=1;EX0=1;EX1=1; ET1=1; TR1=1; PX0=0;PX1=0;PT1=1;PT0=1;/*設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí)*/ for(;) /*在這個(gè)for循環(huán)中，可以根據(jù)程序需要 在任何時(shí)間改變a、b值來改變脈寬的輸 出時(shí)間，從而控制舵機(jī)*/ 因?yàn)樵诿}沖信號(hào)的輸出是靠定時(shí)器的溢出中斷函數(shù)來處理，時(shí)間很短，因此在精度要求不高的場合可以忽略。因此如果忽略中斷時(shí)間，從另一個(gè)角度來講就是主程序和脈沖輸出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改變a值，例如讓a從500變化到2500，就可以讓舵機(jī)從0度變化到180度。另外要記住一點(diǎn)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要時(shí)間的，因此，程序中a值的變化不能太快，不然舵機(jī)跟不上程序。根據(jù)需要，選擇合適的延時(shí)，用一個(gè)a遞增循環(huán)，可以讓舵機(jī)很流暢的轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)產(chǎn)生像步進(jìn)電機(jī)一樣的脈動(dòng)。這些還需要實(shí)踐中具體體會(huì)。舵機(jī)的速度決定于你給它的信號(hào)脈寬的變化速度。舉個(gè)例子，t0試，脈寬為0.5ms，t1s時(shí)，脈寬為1.0ms，那么，舵機(jī)就會(huì)從0.5ms對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)到1.0ms對(duì)應(yīng)的位置，那么轉(zhuǎn)動(dòng)速度如何呢？一