舵机原理及驱动.pdf

1、概述 舵机最早 出现在航模运动 中。在航空模型 中，飞行机的 飞行姿态是通过 调节发动机和各 个控制舵 面来实现 的 。 举个简单 的四通飞机来说 ， 飞机上有 以下几个地 方需要控制： 1)发动机进 气量 ， 来控制发 动机的拉力 （ 或推力）； 2)副翼舵面 （安装在飞机机 翼后缘），用 来控制飞 机的横滚运动； 3)水平尾舵 面，用来控制飞 机的俯仰角； 4)垂直尾舵 面，用来控制飞 机的偏航角； 不仅在航 模飞机中，在其 他的模型运动中 都可以看到它 的应用 ： 船模上用 来控制尾舵 ， 车模中用 来 转向等等 。 由此可见 ， 凡是需要 操作性动作时都 可以用舵机来 实现。 2、结构和 控制 一般来讲 ， 舵机主要 由以下几个部分 组成 ， 舵盘、减速 齿轮组、位置反 馈电位计 5k、直流电 机 、 控 制电路板 等。 工作原理 ：控制电路板接 受来自信号线的 控制信号 ， 控制电机 转动 ， 电机带动 一系列齿轮组 ， 减速 后传动至 输出舵盘 。 舵机的输 出轴和位置反馈 电位计是相连的 ，舵盘转动的同 时，带动位置反 馈电位计 ， 电位计将 输出一个电压信 号到控制电路板 ，进行反馈 ， 然后控制 电路板根据所在 位置决定电机的 转动方 向和速度 ，从而达到目标 停止。 舵机的基 本结构是这样 ， 但实现起 来有很多种 。例如电机 就有有刷和无刷 之分 ， 齿轮有塑 料和金属之 分 ， 输出轴有 滑动和滚动之分 ， 壳体有塑 料和铝合金之分 ， 速度有快 速和慢速之分 ， 体积有大 中小三种之 分等等 ， 组合不同 ， 价格也千 差万别 。 例如 ， 其中小舵机一般 称作微舵 ， 同种材料 的条件下是中型 的一倍 多 ， 金属齿轮 是塑料齿轮的一 倍多 。 需要根据 需要选用不同类 型。 舵机的输 入线共有三条 ， 红色中间 ， 是电源线 ，一边黑色 的是地线 ， 这辆根线 给舵机提供最基 本的能 源保证， 主要是电机的转 动消耗。电源有 两种规格 ，一是 4.8V，一是 6.0V，分别对 应不同的转矩标 准， 即输出力 矩不同 ， 6.0V对应的要 大一些 ， 具体看应 用条件 ； 另外一根 线是控制信号线 ， Futaba的一般为 白 色 ， JR的一般为 桔黄色 。 另外要注 意一点 ， SANWA的某些型号 的舵机引线电源 线在边上而不是 中间 ， 需要 辨认 。 但记住红 色为电源 ， 黑色为地 线 ， 一般不会 搞错。 舵机的控 制信号为周期是 20ms的脉宽调 制（ PWM） 信号 ， 其中脉冲 宽度从 0.5ms-2.5ms， 相对应 舵盘的位 置为 0 180度，呈线 性变化。也就是 说，给它提供 一定的脉宽 ， 它的输出 轴就会保持在一 个相 对应的角 度上 ， 无论外界 转矩怎样改变 ， 直到给它 提供一个另 外宽度的脉冲信 号 ， 它才会改 变输出角度到 新的对应 的位置上 。 舵机内部 有一个基准电路 ， 产生周期 20ms，宽度 1.5ms的基准信 号，有一个比较 器 ， 将外加信 号与基准信号相 比较，判断出方 向和大小 ， 从而产生 电机的转动信号 。 由此可见 ， 舵机是一 种位置伺服的 驱动器 ， 转动范围 不能超过 180度 ， 适用于 那些需要 角度不断变化并 可以保持的驱动 当中 。 比方说机器人 的关节、飞机的 舵面等。 舵机具有 以下一些特点： 1)体积紧凑 ，便于安装；2)输出力矩 大，稳定性好； 3)控制简单 ，便于和数字系 统接口。 正是因为 舵机有很多优点 ，所以，现在不 仅仅应用在航 模运动中，已经 扩展到各种机电 产品中来 ， 在机器人 控制中应用也越 来越广泛。 3、用单片 机来控制 舵机的控 制信号是一个脉 宽调制信号，很 方便和数字系 统进行接口 。 只要能产 生标准的控制信 号的 数字设备 都可以用来控制 舵机 ， 比方 PLC、 单片机等 。 因为在脉 冲信号的输出可 以用定时器的溢 出中断函数来 处理 ， 时间很短 ， 因此在精 度要求不高的场 合可以忽 略 。 通过编程 就可以让舵机 从 0度变化 到 180度 。 另外要记 住一点 ， 舵机的转 动需要时间的 ， 因此 ， 程序中时 间的变化不能太 快，不然舵机跟 不上程序 。根据需要 ， 选择合适 的延时 ， 返复调试 ， 可以让舵 机 很流畅的 转动，而不会产 生像步进电机一 样的脉动 。这些还需 要实践中具体体 会。 舵机的速 度决定于你给它 的信号脉宽的变 化速度 。 如果你要 求的速度比较快 的话 ， 舵机就反 应不过 来了 ； 将脉宽变 化值线性到你要 求的时间内 ， 一点一点的增加 脉宽值，就可以 控制舵机的速度 了。当然 ， 具体这一 点一点到底是多 少 ， 就需要做 试验了 ， 不合适的话， 舵机就会向步进 电机一样一跳一 跳的转动 了，尝试 改变这 “ 一点 ” ，使你的 舵机运动更平滑 。还有一点 很重要 ， 就是舵机 在每一次脉宽值 改变的时 候总会有 一个转速由零增 加再减速为零的 过程 ， 这就是舵机会 产生像步进电机 一样运动的原因 。 驱动一、舵机 的原理 标准的舵机有 3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图 2所示。 以日本 FUTABA-S3003型舵机为例，图 1是 FUFABA-S3003型舵机的内部电路。 3003舵机的工作原理是： PWM信号由接收通道进入信号解调电路 BA6688的 12脚进行解调，获得一个直流偏置电压 。 该直流偏置电压与电位器的电压比较 ， 获得电压差由 BA6688的 3脚输出 。 该输出送入电机驱动 集成电路 BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器 Rw1旋转，直到电压差为 O，电机停止转动。 舵机的控制信号是 PWM信号，利用占空比的变化，改变舵机的位置。 有个很有趣的技术话题可以稍微提一下，就是 BA6688是有 EMF控制的，主要用途是控制在高速时候电机最大转速。 原理是这样的 : 收到 1个脉冲以后， BA6688内部也产生 1个以 5K电位器实际电压为基准的脉冲， 2个脉冲比较以后展宽 ，输出给驱动使用。当输出足够时候，马达就开始加速，马达就能产生 EMF，这个和转速成正比的。 因为取的是中心电压，所以正常不能检测到的，但是运行以后就电平发生倾斜，就能检测出来。超过 EMF判断电压时候就减小展宽 ， 甚至关闭 ， 让马达减速或者停车 。 这样的好处是可以避免过冲现象 (就是到了定 位点还继续走 ,然后回头 ,再靠近 ) 一些国产便宜舵机用的便宜的芯片，就没有 EMF控制，马达、齿轮的机械惯性就容易发生过冲现象，产生抖舵 电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通常介于 4 6V，一般取 5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉 冲信号的周期为 20ms(即频率为 50Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用围 3来表示。 二、数码 舵机 VS模拟舵机 数码舵机比传统的模拟舵机，在工作方式上有一些优点，但是这些优点也同时带来了一些缺点。 传统的舵机在空载的时候，没有动力被传到舵机马达。当有信号输入使舵机移动，或者舵机的摇臂受到外 力的时候，舵机会作出反应，向舵机马达输出驱动电压。由第一节的电路分析我们知道 马达是否获得 驱动电压，取决于 BA6688的第 3脚是否输出一个电压信号给 BAL6686马达驱动 IC。 数码舵机最大的差别是在于它处理接收机的输入信号的方式。相对与传统的 50脉冲 /秒的 PWM信号解调方式 ， 数码舵机使用信号预处理方式 ， 将频率提高到 300脉冲 /秒 。 因为频率高的关系 ， 意味着舵机动作会更 精确， “ 无反应区 ” 变小。 以下的三个图表各显示了两个周期的开 /关脉冲。 图 1是空载的情况；图 2是脉冲宽度较窄，比较小的动力信号被输入马达；图 3是更宽，持续时间更长的脉冲，更多的输入动力。 您可以想象，一个短促的脉冲，紧接着很长的停顿，这意味着舵机控制精度是不够高的，这也是为什么模 拟舵机有 “ 无反应区 ” 的存在。比如说，舵机对于发射机的细小动作，反应迟钝或者根本就没有反应。 而数码舵机提升了脉冲密度，轻微的信号改变都会变的可以读取，这样无论是遥控杆的轻微变动，或者舵 机摇臂在外力作用下的极轻微变动，都会能够检测出来，从而进行更细微的修正。 三、数码 舵机的缺点： 以上我们已经知道数码舵机会更精确这个优点，那么我们来看数码舵机的缺点 1、 数码舵机需要消耗更多的动力 。 其实这是很自然的 。 数码舵机以更高频率去修正马达 ， 这一定会增加总体的动力消耗。 2、 相对教短的寿命 。 其实这是很自然的 。 马达总在转来转去做修正 ， 这一定会增加马达等转动部位的消耗 。 四、拟人 化比喻 技术性的东西说了这么多，也许很多对电路原理不熟悉的朋友还是不明白，呵呵，举个简单的例子来说明 吧！ 比如遥控器是老师，舵机控制电路是家长，舵机的马达是小孩 现在的任务是老师要求家长辅导孩子做一个动作，比如倒立 以数字舵机而言，家长自主地给这个动作设置了非常非常严格的标准，他要求孩子倒立时在鞋面上摆一个 竖立的硬币，然后盯着硬币，硬币向左一震动他在右边给孩子一鞭子，硬币向右一震动他在左边给孩子一 鞭子 .总之他要求的不再是老师要求的 “ 倒立 ” ，而是倒立以后顶一枚不倒的硬币 . 模拟舵机的家长部分则是柔和派，老师要求倒立是吧？他忠实地按老师的要求，让孩子倒立起来，孩子身 体的轻微调整他不去关注了，他只关心是不是偏移了老师的标准，呵呵 五、实际 应用选择 我们已经 知道模拟舵机 对于极轻微的 外力干扰导致 舵机盘移位的 敏感度 ， 和舵机执 行命令的精确度，是不 如数码舵机的 了，那么我们 是不是应该尽 量使用数码舵 机呢？ 我个人而言不是这么 认为。 首先 舵机的素质，其实不单纯是电路决定的，还有舵机的齿轮精度，还有非常非常关键的舵机电位器的精度。一颗质量上乘的模拟舵机，往往比电路虽然是数码但是零件却是普通货色的数码舵机更准确，更 不会抖舵。 其次，要知道我们在模型车上应用的时候，很多时候太高的精度并不是好事！比如你玩 1/8的车，特别是大脚车和越野车，那么烂的路面导致车时而滑动适合腾空，动不动就是零点几秒、 N公分的偏差，舵机的 微秒级别敏感、微米级别精度对整个事件能起怎么改善？那叫神经质的舵机反应 . 其实应用在 1/8车辆上，一颗 0.1秒反应的模拟舵机是更合适的搭配。它会更省电，更顺滑，不会那么神经质。而且最重要的 它不会在一台转向虚位有几毫米的 1/8越野车上，去不停地吱吱叫着去找那 0.1 毫米的居中（其实你即使把舵机连杆给它拆掉，让舵机空转，它也往往找不到那 0.1毫米的居中，只是自己不停地吱吱叫着折腾自己而已，哈哈） 实际的应用上 ， 我建议是 1/10的竞赛级别房车 ， 暴力型的飞机 ， 可以选用数码舵机 。 所谓神经质配神经质 ，呵呵。 其实我个人选择舵机 ， 更看重的是品牌和玩家反响 ， 而不是某些山寨工厂一力鼓吹的什么狗屁数码 .