舵机及转向控制原理

舵机及转向控制原理1、概述2、舵机的组成3、舵机工作原理4、舵机选购5、舵机使用中应注意的事项6、辉盛S90舵机简介7、 如何利用程序实现转向8、51单片机舵机测试程序1、概述舵机也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中，如图1 、图2 所示。图1 舵机用于机器人图2 舵机用于智能小车中舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分，图3为舵机的外形图。图3 舵机外形图2、舵机的组成一般来讲，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、直流电机、控制电路等，如图4、图5所示。图4 舵机的组成示意图图5 舵机组成舵机的输入线共有三条，如图6所示，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。图6 舵机的输出线3、舵机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转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反馈电位计控制电路板反馈。流，才可发挥舵机应有的性能。舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，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位置上如图7所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。图7 舵机输出转角与输入脉冲的关系4、舵机选购市场上的舵机有塑料齿、金属齿、小尺寸、标准尺寸、大尺寸，另外还有薄的标准尺寸舵机，及低重心的型号。小舵机一般称为微型舵机，扭力都比较小，市面上2.5g，3.7g，4.4g，7g，9g等舵机指的是舵机的重量分别是多少克，体积和扭力也是逐渐增大。微型舵机内部多数都是塑料齿，9g舵机有金属齿的型号，扭力也比塑料齿的要大些。futaba S3003，辉盛 MG995是标准舵机，体积差不多，但前者是塑料齿，后者金属齿，两者标称的扭力也差很多。春天sr403p，Dynamixel AX-12+是机器人专用舵机，不同的是前者是国产，后者是韩国产，两者都是金属齿标称扭力13kg以上，但前者只是改改样子的模拟舵机，后者则是RS485串口通信，具有位置反馈，而且还具有速度反馈与温度反馈功能的数字舵机，两者在性能和价格上相差很大。除了体积，外形和扭力的不同选择，舵机的反应速度和虚位也要考虑，一般舵机的标称反应速度常见0.22 秒/60，0.18 秒/60，好些的舵机有0.12 秒/60等的，数值小反应就快。厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是kg/cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是sec/60，意思是舵机转动60所需要的时间。电压会直接影响舵机的性能，例如FutabaS-9001在4.8V时扭力为3.9kg/cm、速度为0.22秒/60，在6.0V时扭力为5.2kg/cm、速度为0.18秒/60。若无特别注明，JR的舵机都是以4.8V为测试电压，Futaba则是以6.0V作为测试电压。速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的电池，能提供稳定且充裕的。现在市面上的舵机鱼龙混杂，总体来说仿品不如正品，便宜的不如贵的，塑料齿的不如金属齿的，老的不如新的，国内的不如外国的等等，大家不必过于追求极致，根据自身购买力选择够用的就行。5、舵机使用中应注意的事项1)、常用舵机的额定工作电压为6V，可以使用LM1117等芯片提供6V的电压，如果为了简化硬件上的设计直接使用5V的供电影响也不是很大，但最好和单片机进行分开供电，否则会造成单片机无法正常工作。2)、一般来说可以将来信号线连接至单片机的任意引脚，对于51单片机需通过定时器模块出PWM才能进行控制。但是如果连接像飞思卡尔之类的芯片，由于飞思卡尔内部带有PWM模块，可以直接输出PWM信号，此时应将来信号连于专用的PWM输出引脚上。6、辉盛S90舵机简介由于辉盛S90良好的性价比，目前市面上的价格一般为1015元，因而广泛应用机器人和智能小车制作设计中，图8和图9分别为S90的外观和参数。图8辉盛S90舵机图9辉盛S90舵机参数7、如何利用程序实现转向8、51单片机舵机测试程序