伺服舵機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)匯總
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內(nèi)容概述
最近幾年國(guó)內(nèi)機(jī)器人開始起步發(fā)展，很多高校、中小學(xué)都開始進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)教學(xué)。小型的機(jī)器人、模塊化的機(jī)器人、組件式的機(jī)器人是教學(xué)機(jī)器人的首選。在這些機(jī)器人產(chǎn)品中，舵機(jī)是最關(guān)鍵，使用最多的部件。根據(jù)控制方式，舵機(jī)應(yīng)該稱為微型伺服馬達(dá)。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(jī)。舵機(jī)接受一個(gè)簡(jiǎn)單的控制指令就可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品使用。仿人型機(jī)器人就是舵機(jī)運(yùn)用的最高境界。在此對(duì)舵機(jī)做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
舵機(jī)的結(jié)構(gòu)
舵機(jī)簡(jiǎn)單的說就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機(jī)更準(zhǔn)確的說是伺服馬達(dá)，英文servo。
1.舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。簡(jiǎn)單的工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)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(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。
2.舵機(jī)的外殼一般是塑料的，特殊的舵機(jī)可能會(huì)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(jī)內(nèi)的電機(jī)運(yùn)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(jī)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(qiáng)度較低；金屬齒輪強(qiáng)度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會(huì)有很大的噪音。小扭矩舵機(jī)、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機(jī)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(jī)上，比如輝盛的995舵機(jī)，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(qiáng)度能保證3003大小的舵機(jī)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(jī)輸出齒輪上扭矩一般不大，用塑料齒輪。
舵機(jī)的規(guī)格和選型
舵機(jī)轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)速由舵機(jī)無(wú)負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60°角所需時(shí)間來(lái)衡量，常見舵機(jī)的速度一般在0.11/60°~0.21S/60°之間。
舵機(jī)轉(zhuǎn)矩
舵機(jī)扭矩的單位是KG·CM，這是一個(gè)扭矩單位?？梢岳斫鉃樵诙姹P上距舵機(jī)軸中心水平距離1CM處，舵機(jī)能夠帶動(dòng)的物體重量。
工作電壓
廠商提供的速度、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)和測(cè)試電壓有關(guān)，在4.8V和6V兩種測(cè)試電壓下這兩個(gè)參數(shù)有比較大的差別。如Futaba S-9001 在 4.8V 時(shí)扭力為 3.9kg、速度為 0.22 秒，在 6.0V 時(shí)扭力為 5.2kg、速度為 0.18 秒。若無(wú)特別注明，JR 的舵機(jī)都是以 4.8V 為測(cè)試電壓，F(xiàn)utaba則是以 6.0V 作為測(cè)試電壓。
舵機(jī)的工作電壓對(duì)性能有重大的影響，舵機(jī)推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當(dāng)然，有的舵機(jī)可以在7V以上工作，比如12V的舵機(jī)也不少。較高的電壓可以提高電機(jī)的速度和扭矩。選擇舵機(jī)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(jī)的功率（速度×轉(zhuǎn)矩）和舵機(jī)的尺寸比值可以理解為該舵機(jī)的功率密度，一般同樣品牌的舵機(jī)，功率密度大的價(jià)格高。
塑料齒輪的舵機(jī)在超出極限負(fù)荷的條件下使用可能會(huì)崩齒，金屬齒輪的舵機(jī)則可能會(huì)電機(jī)過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對(duì)的傾向，關(guān)鍵是將舵機(jī)使用在設(shè)計(jì)規(guī)格之內(nèi)。
用戶一般都對(duì)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(zhǎng)時(shí)間過載下也不會(huì)損毀，最后確是電機(jī)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(jī)如果使用金屬舵盤是很危險(xiǎn)的，舵盤和舵機(jī)軸在相互扭轉(zhuǎn)過程中，金屬舵盤不會(huì)磨損，舵機(jī)軸會(huì)在一段時(shí)間后變得光禿，導(dǎo)致舵機(jī)完全不能使用。
綜上，選擇舵機(jī)需要在計(jì)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(jī)。
舵機(jī)控制原理
舵機(jī)是一個(gè)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(hào)源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)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(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。
模擬舵機(jī)需要一個(gè)外部控制器（遙控器的接收機(jī)）產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)告訴舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖寬度是舵機(jī)控制器所需的編碼信息。舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對(duì)應(yīng)-90度到+90度的位置。如下圖所示：
需要解釋的是舵機(jī)原來(lái)主要用在飛機(jī)、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(dòng)范圍是45°、60°或者90°，這時(shí)候脈沖寬度一般只有1ms-2ms之間。而后舵機(jī)開始在機(jī)器人上得到大幅度的運(yùn)用，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也在根據(jù)機(jī)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(duì)于控制脈沖有的書上講的是PPM(脈位調(diào)制信號(hào))，有的定義為PWM（脈寬調(diào)制信號(hào)）。準(zhǔn)確的講應(yīng)該叫什么筆者也沒有確定的答案。對(duì)與模型遙控器，發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的信號(hào)編碼方式是PPM（也有PCM）方式，當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)的編碼傳輸過程不是接收機(jī)到舵機(jī)之間，切不可混淆。對(duì)于PPM、PCM在調(diào)制信號(hào)上面的區(qū)別可以看《現(xiàn)代無(wú)線通訊》。對(duì)與機(jī)器人控制而言，我們一般通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)控制舵機(jī)，所以下面對(duì)于舵機(jī)的控制脈沖都稱為PWM信號(hào)（一家直言，如若覺得不準(zhǔn)確可以來(lái)信討論）。 如果你是愛好者，只是想了解舵機(jī)，對(duì)于它的控制原理了解到這就可以了。
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