400-099-1872
一、 什(shén)麽是舵機
舵機（英文叫Servo）：它由直流電機、減速齒輪組、傳感器和(hé)控制電路組成的(de)一套自動控制系統。通(tōng)過發送信号，指定輸出軸旋轉角度。二、 舵機的(de)結構
舵機的(de)主體結構如下(xià)圖所示，主要有幾個(gè)部分(fēn)：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。
圖 1
圖 2舵機的(de)内部結構
圖 1
圖 2舵機的(de)内部結構
三、 舵機的(de)原理(lǐ)及控制
1.模拟舵機及其控制原理(lǐ)舵機是一個(gè)微型的(de)伺服控制系統，具體的(de)控制原理(lǐ)可(kě)以用(yòng)下(xià)圖表示
工作原理(lǐ)是控制電路接收信号源的(de)控制脈沖，并驅動電機轉動。
模拟舵機需要一個(gè)外部控制器（遙控器的(de)接收機）産生脈寬調制信号來(lái)告訴舵機轉動角度，脈沖寬度是舵機控制器所需的(de)編碼信息。舵機的(de)控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分(fēn)别對(duì)應-90度到+90度的(de)位置。如下(xià)圖所示：
對(duì)于控制脈沖有的(de)書(shū)上講的(de)是PPM(脈位調制信号)，有的(de)定義爲PWM（脈寬調制信号）。準确的(de)講應該叫什(shén)麽筆者也(yě)沒有确定的(de)答(dá)案，請恕我才疏學淺。對(duì)與模型遙控器，發射機到接收機之間的(de)信号編碼方式是PPM（也(yě)有PCM）方式，當然，這(zhè)個(gè)信号的(de)編碼傳輸過程不是接收機到舵機之間，切不可(kě)混淆。對(duì)于PPM、PCM在調制信号上面的(de)區(qū)别可(kě)以看《現代無線通(tōng)訊》。
對(duì)與機器人(rén)控制而言，我們一般通(tōng)過單片機産生PWM信号控制舵機，所以下(xià)面對(duì)于舵機的(de)控制脈沖都稱爲PWM信号（一家之言）。
如果你是愛(ài)好者，隻是想了(le)解舵機，對(duì)于它的(de)控制原理(lǐ)了(le)解到這(zhè)就可(kě)，下(xià)面我們将對(duì)模拟舵機的(de)具體電路進行分(fēn)析，需要讀者具有初步的(de)模電、數電常識。
我們在網上可(kě)以很容易找到Futaba 3003的(de)電路圖，如圖4.3所示。PWM由接收通(tōng)道進入信号解調電路BA6688的(de)12腳，這(zhè)是周期20ms，脈寬0.5ms-2.5ms之間的(de)PWM信号。該PWM信号和(hé)内部以5K電位器實際電壓爲基準的(de)脈沖進行比較，得(de)到的(de)脈沖進行展寬後給H橋，H橋根據展寬後的(de)脈沖信号驅動電機。解調後的(de)直流偏置電壓和(hé)通(tōng)過電位器得(de)到反饋電壓進行比較得(de)到電壓差，BA66898根據該電壓差通(tōng)過3腳輸送的(de)PWM信号給電機驅動電路BAL6686驅動電機正反轉，同時(shí)電機轉動帶動電位器轉動，導緻比較後的(de)電壓差變化(huà)，直到電壓差爲0，電機停止。
查下(xià)H-Bridge的(de)驅動信号是脈沖還(hái)是什(shén)麽。測一下(xià)，這(zhè)個(gè)脈沖和(hé)電機轉動的(de)關系。
Futaba之外的(de)其它廠家使用(yòng)的(de)不是BA6688這(zhè)款IC，一般選擇M51660、AA5188、YT5166這(zhè)些芯片一般沒有EMF控制。
2.數字舵機及其控制原理(lǐ)
數字舵機從根本上颠覆了(le)舵機的(de)控制系統設計。數字和(hé)模拟舵機相比在兩個(gè)方面有明(míng)顯的(de)優點。1、防抖。2、響應速度快(kuài)。
模拟舵機由于使用(yòng)模拟器件搭建的(de)控制電路，電路的(de)反饋和(hé)位置伺服是基于電位器的(de)比例調節方式。電位器由于線性度的(de)影(yǐng)響，精度的(de)影(yǐng)響，個(gè)體差異性的(de)問題，會導緻控制匹配不了(le)比例電壓，比如我期望得(de)到2.5V的(de)電壓位置，但第一次得(de)到的(de)是2.3V，經過1個(gè)調節周期後，電位器轉過的(de)位置已經是2.6V了(le)，這(zhè)樣控制電路就會給電機一個(gè)方向脈沖調節，電機往回轉，又轉過頭，然後有向前調節，以至于出現不停的(de)震蕩，這(zhè)就是我們所看到的(de)抖舵現象。我們購(gòu)買一批舵機會發現有的(de)很好用(yòng)，有的(de)在空載的(de)時(shí)候也(yě)會在抖動，有的(de)是在加一定的(de)負載後就開始抖動。
我們不用(yòng)裝出機器人(rén)就可(kě)以預期一個(gè)事實，不停抖動的(de)舵機裝出來(lái)的(de)仿人(rén)機器人(rén)是不可(kě)能走的(de)很好的(de)，用(yòng)不停抖動的(de)舵機裝出來(lái)的(de)機械臂是不可(kě)能寫字的(de)。可(kě)惜的(de)是，現在的(de)數字舵機還(hái)是很貴的(de)，更别提用(yòng)伺服直流電機+伺服驅動器+運動控制卡搭建的(de)機器人(rén)系統了(le)。
模拟舵機的(de)調節周期是20ms（看看模塊卡的(de)舵機程序），也(yě)就是它的(de)反應時(shí)間是20ms。根據舵機的(de)不同，假設我們估計舵機的(de)速度是0.2s/60°，那麽20ms舵機最快(kuài)的(de)時(shí)候轉過0.6度才會進行調節，這(zhè)就是關節在突然出現大(dà)負載的(de)情況下(xià)，會被扭矩擺動0.6度，然後才糾正回來(lái)，我們的(de)直觀感覺就是這(zhè)個(gè)舵機不“硬”我們掰動舵盤，可(kě)以掰動一個(gè)位置。
數字舵機可(kě)以以很高(gāo)的(de)頻(pín)率進行調節，這(zhè)個(gè)周期和(hé)角度會變得(de)非常小，并且有PID調節方式的(de)存在，能夠在以很适當的(de)PID參數進行調節，能夠讓舵機有很高(gāo)的(de)響應速度，不會出現超調。
3.總線伺服舵機
總線伺服舵機實際上可(kě)以理(lǐ)解爲舵機的(de)衍生品，數字舵機相比與模拟舵機而言是設計上的(de)颠覆，而總線伺服單元對(duì)于舵機而言則是在功能和(hé)運用(yòng)上的(de)颠覆。舵機實際上隻能發揮出總線伺服舵機非常微小的(de)部分(fēn)。
那麽什(shén)麽是總線伺服舵機。我們先來(lái)看一下(xià)我們現在使用(yòng)舵機和(hé)數字舵機時(shí)遇見的(de)問題。
1、我們利用(yòng)舵機（不論數字還(hái)是模拟）搭建一個(gè)仿人(rén)機器人(rén)，用(yòng)了(le)20個(gè)自由度，用(yòng)了(le)20個(gè)舵機。每根舵機都要接到控制卡上，有的(de)線還(hái)需要延長(cháng)，所有的(de)線加起來(lái)有超過30根，像團海草(cǎo)一樣把機器人(rén)整個(gè)身體纏了(le)個(gè)遍，機器人(rén)在走動的(de)時(shí)候突然發現舵機線被拉松了(le)，機器人(rén)一個(gè)趔趄把脖子都摔斷了(le)。控制卡上需要做(zuò)出20個(gè)PWM信号接口（我們一直在爲這(zhè)個(gè)技術問題發愁，現在或許好一點），那可(kě)是長(cháng)長(cháng)的(de)一排插針啊。健忘的(de)我還(hái)很容易忘記哪個(gè)插針對(duì)應哪個(gè)舵機，好不容易接上後，一通(tōng)電，機器人(rén)腿轉到背後去了(le)，一排查發現腿關節接到肩關節了(le)。當我們需要給機器人(rén)加些傳感器時(shí)候，突然發現，IO口都被用(yòng)掉了(le)，定時(shí)器不夠用(yòng)了(le)，天啊，真是噩夢。
2、舵機的(de)每一個(gè)舵機的(de)參數不一定一樣，不時(shí)還(hái)會出現中位偏差比較大(dà)的(de)，好不容易裝出機器人(rén)來(lái)後發現舵機的(de)中位不一緻，和(hé)理(lǐ)論計算(suàn)得(de)出來(lái)的(de)機器人(rén)步态不相匹配。這(zhè)回麻煩大(dà)了(le)，需要對(duì)每一個(gè)舵機設置中位，在發送舵機控制信号的(de)時(shí)候還(hái)需要對(duì)每一個(gè)舵機都單獨加入這(zhè)個(gè)修正值，而不能統一調用(yòng)某一個(gè)通(tōng)用(yòng)的(de)PWM産生函數，天啊，一個(gè)步态就是20行代碼啊。當然，程序員(yuán)都是勤勞和(hé)嚴謹的(de)，并不覺得(de)這(zhè)是辛苦的(de)事情。而有些人(rén)會買可(kě)以通(tōng)過編程器調節和(hé)設置中位的(de)舵機，當然，可(kě)能會很貴。
3、機器人(rén)步态的(de)編寫是件非常麻煩的(de)事，我們在編寫步态的(de)時(shí)候給舵機的(de)初始值基本上都是有偏差的(de)，比如我想肩關節轉到180度位置，我給的(de)是255的(de)控制值，但由于舵機個(gè)體差異的(de)問題，這(zhè)個(gè)值已經讓舵機處于堵轉狀态。過一會之後，我們發現機器人(rén)一隻胳膊不能用(yòng)了(le)，可(kě)憐的(de)機器人(rén)啊，還(hái)不知道到底發生了(le)什(shén)麽事。時(shí)候檢查發現機器人(rén)肩關節堵轉時(shí)間過久，導緻電機過熱(rè)，讓舵機外殼融化(huà)，然後導緻減速齒輪箱錯位，舵機就失效了(le)，機器人(rén)的(de)一隻胳膊就殘廢了(le)。
第一點的(de)原因我們可(kě)以理(lǐ)解爲，現在的(de)舵機都是并聯控制的(de)，線都是需要接到控制闆上，我們可(kě)以幻想，如果舵機可(kě)以串聯就好了(le)。腳腕關鍵的(de)舵機串到膝關節，一直串到髋關節，最後一根線直接接到控制卡上，甚至可(kě)以把所有的(de)舵機都串進去。我們同樣可(kě)以驚喜的(de)發現，隻需要1根線，最多(duō)4根線就可(kě)以搞定20個(gè)舵機了(le)，哎，世界真奇妙啊。
第二點的(de)原因是舵機自己不能存儲中位修正值，修正值需要我們發控制脈沖的(de)時(shí)候補進去。我們可(kě)以想象，如果我告訴舵機：你好，放松，我要修正你的(de)頭的(de)位置，它有點歪了(le)。然後舵機就放松下(xià)來(lái)，我們把它的(de)頭擺正，然後告訴它：這(zhè)是你頭部的(de)正确方向，你以後需要以這(zhè)位置爲正前方，然後舵機就把這(zhè)個(gè)位置記下(xià)來(lái)了(le)，并且我告訴它轉60度它就以這(zhè)爲初始位置轉60多(duō)，不多(duō)不少。
第三點原因是機器人(rén)沒有神經系統，根本不知道疼痛。如果我們能給控制卡提供每一個(gè)關節的(de)力矩、電流、電壓、溫度、轉角，那麽機器人(rén)缺胳膊少腿的(de)問題都可(kě)以解決。呵呵，好像有點神奇了(le)。
其實一點不神奇，因爲自從總線伺服單元出現後，這(zhè)些幻想都可(kě)以瞬間變成現實。總線伺服舵機簡單的(de)說就是可(kě)以串聯，并且接受數據信号，能夠提供關節的(de)力矩、電流、溫度、角度等信息，能準确控制位置的(de)運動單元，外形可(kě)以和(hé)舵機一模一樣。我們用(yòng)一個(gè)帶串口給總線發送一條指令：舵機1，轉20度；舵機2轉30度，舵機3休息……直到理(lǐ)論上最後一個(gè)舵機。然後所有的(de)舵機就會執行這(zhè)條指令。
來(lái)源：
一、 舵機的(de)種類
舵機的(de)形狀和(hé)大(dà)小多(duō)的(de)讓人(rén)眼花缭亂，大(dà)緻可(kě)以分(fēn)爲标準舵機、微型舵機、大(dà)扭力舵機（如圖所示）五、伺服電機、舵機、步進電機的(de)區(qū)别
這(zhè)裏簡單的(de)講下(xià)伺服電機、舵機、步進電機的(de)區(qū)别，盡量的(de)讓大(dà)家通(tōng)熟易懂(dǒng)。1、伺服電機主要用(yòng)于比較精準的(de)位置、速度或力矩輸出。準确地說，伺服電機不是說一個(gè)電機，而是一個(gè)系統。所以僅僅一台電機都不能算(suàn)是伺服電機，因爲他(tā)們并不具備伺服電機的(de)功能。伺服電機是一個(gè)電機系統，它包含電機、傳感器和(hé)控制器。
伺服舵機是機器人(rén)獨有的(de)智能制動器，是集直流電機+減速齒輪頭+控制器+驅動器+網絡連接爲一體的(de)伺服舵機模塊。
它性能優良、質量可(kě)靠、控制精度高(gāo)，并且可(kě)做(zuò)轉輪使用(yòng)，适合各種功能和(hé)尺寸的(de)機器人(rén)，在目前國際機器人(rén)大(dà)賽上應用(yòng)很廣，已成爲衆多(duō)高(gāo)校制作大(dà)中型類人(rén)足球機器人(rén)的(de)首選。
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2、舵機，其實就是個(gè)低端的(de)伺服電機系統，它包含了(le)電機、傳感器和(hé)控制器，是一個(gè)完整的(de)伺服電機（系統）。價格低廉、結構緊湊，但精度和(hé)位置鎮定能力較差，但是能夠滿足很多(duō)低端需求。
3、步進電機主要是依靠定子線圈序列通(tōng)電，順次在不同的(de)角度形成磁場(chǎng)，推拉定子旋轉。
步進電機的(de)好處是，你可(kě)以省掉用(yòng)于測量電機轉角的(de)傳感器。因此在結構上和(hé)價格上有一定的(de)優勢。而且它的(de)位置和(hé)速度控制相對(duì)簡單。
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