伺服舵機基礎知識匯總
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內容概述
最近幾年國內機器人開始起步發(fā)展，很多高校、中小學都開始進行機器人技術教學。小型的機器人、模塊化的機器人、組件式的機器人是教學機器人的首選。在這些機器人產品中，舵機是最關鍵，使用最多的部件。根據(jù)控制方式，舵機應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動到一個比較精確的角度，所以非常適合在關節(jié)型機器人產品使用。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。
舵機的結構
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，所以舵機更準確的說是伺服馬達，英文servo。
1.舵機的主體結構如下圖所示，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，并驅動電機轉動；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倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度。
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
舵機轉速
轉速由舵機無負載的情況下轉過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。
舵機轉矩
舵機扭矩的單位是KG·CM，這是一個扭矩單位?？梢岳斫鉃樵诙姹P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、轉矩數(shù)據(jù)和測試電壓有關，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
舵機的功率（速度×轉矩）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。所以材質的選擇并沒有絕對的傾向，關鍵是將舵機使用在設計規(guī)格之內。
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，并驅動電機轉動；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倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度。
模擬舵機需要一個外部控制器（遙控器的接收機）產生脈寬調制信號來告訴舵機轉動角度，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-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，作為方向舵的調節(jié)和控制裝置。所以，一般的轉動范圍是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，轉動的角度也在根據(jù)機器人關節(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(脈位調制信號)，有的定義為PWM（脈寬調制信號）。準確的講應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。
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