舵機工作原理

1、舵機工作原理 標準的舵機有3條導線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2所示。以日本FUTABA-S3003型舵機為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機的內部電路。3003舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進入信號解調電路BA6688的12腳進行解調，獲得一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送入電機驅動集成電路BAL6686，以驅動電機正反轉。當電機轉動時，通過級聯減速齒輪帶動電位器Rw1旋轉，直到電壓差為O，電機停止轉動。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化，改變舵機的位置。有個很有趣的技術話題可以稍微提一下，就是BA

2、6688是有EMF控制的，主要用途是控制在高速時候電機最大轉速。原理是這樣的: 收到1個脈沖以后，BA6688內部也產生1個以5K電位器實際電壓為基準的脈沖，2個脈沖比較以后展寬，輸出給驅動使用。當輸出足夠時候，馬達就開始加速，馬達就能產生EMF，這個和轉速成正比的。因為取的是中心電壓，所以正常不能檢測到的，但是運行以后就電平發(fā)生傾斜，就能檢測出來。超過EMF判斷電壓時候就減小展寬，甚至關閉，讓馬達減速或者停車。這樣的好處是可以避免過沖現象(就是到了定位點還繼續(xù)走,然后回頭,再靠近) 一些國產便宜舵機用的便宜的芯片，就沒有EMF控制，馬達、齒輪的機械慣性就容易發(fā)生過沖現象，產生抖舵電源線和地線

3、用于提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源電壓通常介于46V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系可用圖3來表示。可變脈寬輸出試驗(舵機控制)原創(chuàng)：xidongs 整理：armok / 2004-12-05 / www.OurAVR.com 內容簡介：舵機：英文叫Servo，臺灣及香港中文稱伺服機。在航模及自動控制中，舵機擔當著重要的作用。舵機由

4、無核心馬達所構成，可依據接收機發(fā)出的指令，轉動至定點的位置，是各個舵面的動力來源。伺服機的規(guī)格主要是扭力與速度，扭力的單位是/，意指擺臂長度1公分處所能吊起的物重。速度的單位是秒/60°，意指轉動60°所需要的秒數。本實驗中控制舵機的 PWM 由 M16 的 PB.0 輸出，8M 晶體，vcc：5v，僅使用一個八位定時器 timer2，波形比較準確，用示波器和實測都已經通過。 分辨率為20微秒。伺服馬達的控制：標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V-6V之間，該 電源應盡可能與處理系統

5、的電源隔離(因為伺服馬達會產生噪音)。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統的電源供應的比例必須合理?？刂凭€輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms-2ms之間。而低電平時間應在5ms到20ms間，并不很嚴格。下表表示出一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關系：以下是形象的示意圖：電路圖： 舵機工作原理1、概述 舵機最早出現在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態(tài)是通過調節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現的。舉個簡單的四通飛機來說，飛機上有以下幾個地方需要控制： 1.發(fā)動機進氣量，來控制發(fā)動機的拉力（或

6、推力）； 2.副翼舵面（安裝在飛機機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動； 3.水平尾舵面，用來控制飛機的俯仰角； 4.垂直尾舵面，用來控制飛機的偏航角； 遙控器有四個通道，分別對應四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉動，從而改變飛機的運動狀態(tài)。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。 不僅在航模飛機中，在其他的模型運動中都可以看到它的應用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉向等等。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現。2、結構和控制 一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k、直流電機、控制電路板等。 工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號

7、（具體信號待會再講），控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。 舵機的基本結構是這樣，但實現起來有很多種。例如電機就有有刷和無刷之分，齒輪有塑料和金屬之分，輸出軸有滑動和滾動之分，殼體有塑料和鋁合金之分，速度有快速和慢速之分，體積有大中小三種之分等等，組合不同，價格也千差萬別。例如，其中小舵機一般稱作微舵，同種材料的條件下是中型的一倍多，金屬齒輪是塑料齒輪的一倍多。需要根據需要選用不同類

8、型。 舵機的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應不同的轉矩標準，即輸出力矩不同，6.0V對應的要大一些，具體看應用條件；另外一根線是控制信號線，Futaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點，SANWA的某些型號的舵機引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。 舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應舵盤的位置為0180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一

9、定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內部有一個基準電路，產生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產生電機的轉動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅動器，轉動范圍不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅動當中。比方說機器人的關節(jié)、飛機的舵面等。 常見的舵機廠家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，國產的有北京的新幻想、吉林的振華等?，F舉Futaba S3003來介紹相關參數，以供大家設計時選

10、用。之所以用3003是因為這個型號是市場上最常見的，也是價格相對較便宜的一種（以下數據摘自Futaba產品手冊）。 尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm 重 量(Weight)： 37.2 g 工作速度(Operating speed)：0.23 sec/60°(4.8V) 0.19 sec/60°(6.0V) 輸出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V) 4.1 kg.cm (6.0V)由此可見，舵機具有以下一些特點： >體積緊湊，便于安裝； >輸出力矩大，穩(wěn)定性好； >控

11、制簡單，便于和數字系統接口； 正是因為舵機有很多優(yōu)點，所以，現在不僅僅應用在航模運動中，已經擴展到各種機電產品中來，在機器人控制中應用也越來越廣泛。3、用單片機來控制 正是舵機的控制信號是一個脈寬調制信號，所以很方便和數字系統進行接口。只要能產生標準的控制信號的數字設備都可以用來控制舵機，比方PLC、單片機等。這里介紹利用51系列單片機產生舵機的控制信號來進行控制的方法，編程語言為C51。之所以介紹這種方法只是因為筆者用2051實現過，本著負責的態(tài)度，所以敢在這里寫出來。程序用的是我的四足步行機器人，有刪改。單片機并不是控制舵機的最好的方法，希望在此能起到拋磚引玉的作用。 2051有兩個16位

12、的內部計數器，我們就用它來產生周期20 ms的脈沖信號，根據需要，改變輸出脈寬?；舅悸啡缦拢ㄕ垖φ障旅娴某绦颍?我用的晶振頻率為12M，2051一個時鐘周期為12個晶振周期，正好是1/1000 ms，計數器每隔1/1000 ms計一次數。以計數器1為例，先設定脈寬的初始值，程序中初始為1.5ms，在for循環(huán)中可以隨時通過改變a值來改變，然后設定計數器計數初始值為a，并置輸出p12為高位。當計數結束時，觸發(fā)計數器溢出中斷函數，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函數中，改變輸出p12為反相（此時跳為低位），在用20000（代表20ms周期）減

13、去高位用的時間a，就是本周期中低位的時間，c=20000-a，并設定此時的計數器初值為c，直到定時器再次產生溢出中斷，重復上一過程。# include <reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned intuint a,b,c,d; /*a為舵機1的脈沖寬度，b為舵機2的脈沖寬度，單位1/1000 ms */ /*c、d為中間變量*/*以下定義輸出管腳*/ sbit p12=P12; sbit p13=p13; sbit p37=P37;/*以下兩個函數為定時器中斷函數*/*定時器1，控制舵機1，輸出引腳為P1

14、2，可自定義*/ void timer0(void) interrupt 1 using 1 p12=!p12; /*輸出取反*/ c=20000-c; /*20000代表20 ms，為一個周期的時間*/ TH0=-(c/256); TL0=-(c%256); /*重新定義計數初值*/ if(c>=500&&c<=2500)c=a; else c="20000-a" /*判斷脈寬是否在正常范圍之內*/ /*定時器2，控制舵機2，輸出引腳為P13，可自定義*/ void timer1(void) interrupt 3 using 1 p13=!p

15、13; d=20000-d; TH1=-(d/256); TL1=-(d%256); if(d>=500&&d<=2500)d=b; else d="20000-b" /*主程序*/ void main(void) TMOD=0x11; /*設初值*/ p12=1; p13=1; a=1500; b=1500; /*數值1500即對應1.5ms，為舵機的中間90度的位置*/ c=a;d=b; TH0=-(a/256); TL0=-(a%256); TH1=-(b/256); TL1=-(b%256); /*設定定時器初始計數值*/ EA=1; E

16、T0=1; TR0=1;EX0=1;EX1=1; ET1=1; TR1=1; PX0=0;PX1=0;PT1=1;PT0=1;/*設定中斷優(yōu)先級*/ for(;) /*在這個for循環(huán)中，可以根據程序需要 在任何時間改變a、b值來改變脈寬的輸 出時間，從而控制舵機*/ 因為在脈沖信號的輸出是靠定時器的溢出中斷函數來處理，時間很短，因此在精度要求不高的場合可以忽略。因此如果忽略中斷時間，從另一個角度來講就是主程序和脈沖輸出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改變a值，例如讓a從500變化到2500，就可以讓舵機從0度變化到180度。另外要記住一點，舵機的轉動需要時間的，因此，程序中a值的變化不能太快，不然舵機跟不上程序。根據需要，選擇合適的延時，用一個a遞增循環(huán)，可以讓舵機很流暢的轉動，而不會產生像步進電機一樣的脈動。這些還需要實踐中具體體會。舵機的速度決定于你給它的信號脈寬的變化速度。舉個例子，t0試，脈寬為0.5ms，t1s時，脈寬為1.0ms，那么，舵機就會從0.5ms對應的位置轉到1.0ms對應的位置，那么轉動速度如何呢？一