“伺服舵機基礎(chǔ)知識匯總”的版本間的差異

2015年6月22日 (一) 16:07的版本

內(nèi)容概述

最近幾年國內(nèi)機器人開始起步發(fā)展，很多高校、中小學(xué)都開始進行機器人技術(shù)教學(xué)。小型的機器人、模塊化的機器人、組件式的機器人是教學(xué)機器人的首選。在這些機器人產(chǎn)品中，舵機是最關(guān)鍵，使用最多的部件。根據(jù)控制方式，舵機應(yīng)該稱為微型伺服馬達。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗稱舵機。舵機接受一個簡單的控制指令就可以自動轉(zhuǎn)動到一個比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機器人產(chǎn)品使用。仿人型機器人就是舵機運用的最高境界。在此對舵機做個簡單的介紹。

舵機的結(jié)構(gòu)

舵機簡單的說就是集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉(zhuǎn)動給定角度的電機系統(tǒng)。舵機安裝了一個電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉(zhuǎn)動角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機更準(zhǔn)確的說是伺服馬達，英文servo。
1.舵機的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。簡單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；齒輪組將電機的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機軸轉(zhuǎn)動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉(zhuǎn)動角度，然后控制舵機轉(zhuǎn)動到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。

2.舵機的外殼一般是塑料的，特殊的舵機可能會有金屬鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機內(nèi)的電機運行在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。金屬外殼也可以提供更牢固的固定位置。
3.舵機的齒輪箱有塑料齒輪、混合齒輪、金屬齒輪的差別。塑料齒輪成本底，噪音小，但強度較低；金屬齒輪強度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會有很大的噪音。小扭矩舵機、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機一般都用塑料齒輪，如Futaba 3003，輝盛的9g微舵。金屬齒輪一般用于功率密度較高的舵機上，比如輝盛的995舵機，在和3003一樣體積的情況下卻能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用鈦合金作為齒輪材料，其高強度能保證3003大小的舵機能提供20幾公斤的扭矩?；旌淆X輪在金屬齒輪和塑料齒輪間做了折中，在電機輸出齒輪上扭矩一般不大，用塑料齒輪。

舵機的規(guī)格和選型

舵機轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速由舵機無負載的情況下轉(zhuǎn)過60°角所需時間來衡量，常見舵機的速度一般在0.11/60°~0.21S/60°之間。

舵機轉(zhuǎn)矩

舵機扭矩的單位是KG·CM，這是一個扭矩單位。可以理解為在舵盤上距舵機軸中心水平距離1CM處，舵機能夠帶動的物體重量。

工作電壓

廠商提供的速度、轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)和測試電壓有關(guān)，在4.8V和6V兩種測試電壓下這兩個參數(shù)有比較大的差別。如Futaba S-9001 在 4.8V 時扭力為 3.9kg、速度為 0.22 秒，在 6.0V 時扭力為 5.2kg、速度為 0.18 秒。若無特別注明，JR 的舵機都是以 4.8V 為測試電壓，F(xiàn)utaba則是以 6.0V 作為測試電壓。
舵機的工作電壓對性能有重大的影響，舵機推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當(dāng)然，有的舵機可以在7V以上工作，比如12V的舵機也不少。較高的電壓可以提高電機的速度和扭矩。選擇舵機還需要看我們的控制卡所能提供的電壓。

尺寸、重量和材質(zhì)

舵機的功率（速度×轉(zhuǎn)矩）和舵機的尺寸比值可以理解為該舵機的功率密度，一般同樣品牌的舵機，功率密度大的價格高。
塑料齒輪的舵機在超出極限負荷的條件下使用可能會崩齒，金屬齒輪的舵機則可能會電機過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對的傾向，關(guān)鍵是將舵機使用在設(shè)計規(guī)格之內(nèi)。
用戶一般都對金屬制的物品比較信賴，齒輪箱期望選擇全金屬的，舵盤期望選擇金屬舵盤。但需要注意的是，金屬齒輪箱在長時間過載下也不會損毀，最后確是電機過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復(fù)的。塑料出軸的舵機如果使用金屬舵盤是很危險的，舵盤和舵機軸在相互扭轉(zhuǎn)過程中，金屬舵盤不會磨損，舵機軸會在一段時間后變得光禿，導(dǎo)致舵機完全不能使用。
綜上，選擇舵機需要在計算自己所需扭矩和速度，并確定使用電壓的條件下，選擇有150%左右甚至更大扭矩富余的舵機。

舵機控制原理

舵機是一個微型的伺服控制系統(tǒng)，具體的控制原理可以用下圖表示：

工作原理是控制電路接收信號源的控制脈沖，并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；齒輪組將電機的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機軸轉(zhuǎn)動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉(zhuǎn)動角度，然后控制舵機轉(zhuǎn)動到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。
模擬舵機需要一個外部控制器（遙控器的接收機）產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號來告訴舵機轉(zhuǎn)動角度，脈沖寬度是舵機控制器所需的編碼信息。舵機的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對應(yīng)-90度到+90度的位置。如下圖所示：

需要解釋的是舵機原來主要用在飛機、汽車、船只模型上，作為方向舵的調(diào)節(jié)和控制裝置。所以，一般的轉(zhuǎn)動范圍是45°、60°或者90°，這時候脈沖寬度一般只有1ms-2ms之間。而后舵機開始在機器人上得到大幅度的運用，轉(zhuǎn)動的角度也在根據(jù)機器人關(guān)節(jié)的需要增加到-90度至90度之間，脈沖寬度也隨之有了變化。 對于控制脈沖有的書上講的是PPM(脈位調(diào)制信號)，有的定義為PWM（脈寬調(diào)制信號）。準(zhǔn)確的講應(yīng)該叫什么筆者也沒有確定的答案。對與模型遙控器，發(fā)射機到接收機之間的信號編碼方式是PPM（也有PCM）方式，當(dāng)然，這個信號的編碼傳輸過程不是接收機到舵機之間，切不可混淆。對于PPM、PCM在調(diào)制信號上面的區(qū)別可以看《現(xiàn)代無線通訊》。對與機器人控制而言，我們一般通過單片機產(chǎn)生PWM信號控制舵機，所以下面對于舵機的控制脈沖都稱為PWM信號（一家直言，如若覺得不準(zhǔn)確可以來信討論）。 如果你是愛好者，只是想了解舵機，對于它的控制原理了解到這就可以了。