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舵机原理及驱动


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 20 ms(即频率为 50 Hz)。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........


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