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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 0-180 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 Futaba S-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, 的舵机都是以 4.8V 为测试电压, JR 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 10-15 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


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