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1、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； 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、
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 ， 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
3、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 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
4、 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 0 180度，呈線 性變化。也就是 說，給它提供 一定的脈寬 ， 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
5、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。 舵機具有 以下一些特點： 1)體積緊湊 ，便于安裝；2)輸出力矩 大，穩(wěn)定性好； 3)控制簡單 ，便于和數字系 統(tǒng)接口。 正是因為 舵機有很多優(yōu)點 ，所以，現在不
6、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 舵機的控 制信號是一個脈 寬調制信號，很 方便和數字系 統(tǒng)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 。 因為在脈 沖信號的輸出可 以用定時器的溢 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 。 通過編程 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 ， 程序中時 間的變化不能太 快，不然舵機跟 不上程序 。根據需要 ， 選
7、擇合適 的延時 ， 返復調試 ， 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 。 如果你要 求的速度比較快 的話 ， 舵機就反 應不過 來了 ； 將脈寬變 化值線性到你要 求的時間內 ， 一點一點的增加 脈寬值，就可以 控制舵機的速度 了。當然 ， 具體這一 點一點到底是多 少 ， 就需要做 試驗了 ， 不合適的話， 舵機就會向步進 電機一樣一跳一 跳的轉動 了，嘗試 改變這 “ 一點 ” ，使你的 舵機運動更平滑 。還有一點 很重要 ， 就是舵機 在每一次脈寬值 改變的時 候總會有 一個
8、轉速由零增 加再減速為零的 過程 ， 這就是舵機會 產生像步進電機 一樣運動的原因 。 驅動一、舵機 的原理 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(lián)減速齒輪帶動電位器 Rw1旋轉
9、，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 BA6688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 。
10、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 4 6V，一般取 5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率?？刂凭€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 20ms(即頻率為 50Hz)。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圍 3來表示。 二、數碼 舵機 VS模擬
11、舵機 數碼舵機比傳統(tǒng)的模擬舵機，在工作方式上有一些優(yōu)點，但是這些優(yōu)點也同時帶來了一些缺點。 傳統(tǒng)的舵機在空載的時候，沒有動力被傳到舵機馬達。當有信號輸入使舵機移動，或者舵機的搖臂受到外 力的時候，舵機會作出反應，向舵機馬達輸出驅動電壓。由第一節(jié)的電路分析我們知道 馬達是否獲得 驅動電壓，取決于 BA6688的第 3腳是否輸出一個電壓信號給 BAL6686馬達驅動 IC。 數碼舵機最大的差別是在于它處理接收機的輸入信號的方式。相對與傳統(tǒng)的 50脈沖 /秒的 PWM信號解調方式 ， 數碼舵機使用信號預處理方式 ， 將頻率提高到 300脈沖 /秒 。 因為頻率高的關系 ， 意味著舵機動作會更 精確
12、， “ 無反應區(qū) ” 變小。 以下的三個圖表各顯示了兩個周期的開 /關脈沖。 圖 1是空載的情況；圖 2是脈沖寬度較窄，比較小的動力信號被輸入馬達；圖 3是更寬，持續(xù)時間更長的脈沖，更多的輸入動力。 您可以想象，一個短促的脈沖，緊接著很長的停頓，這意味著舵機控制精度是不夠高的，這也是為什么模 擬舵機有 “ 無反應區(qū) ” 的存在。比如說，舵機對于發(fā)射機的細小動作，反應遲鈍或者根本就沒有反應。 而數碼舵機提升了脈沖密度，輕微的信號改變都會變的可以讀取，這樣無論是遙控桿的輕微變動，或者舵 機搖臂在外力作用下的極輕微變動，都會能夠檢測出來，從而進行更細微的修正。 三、數碼 舵機的缺點： 以上我們已經知
13、道數碼舵機會更精確這個優(yōu)點，那么我們來看數碼舵機的缺點 1、 數碼舵機需要消耗更多的動力 。 其實這是很自然的 。 數碼舵機以更高頻率去修正馬達 ， 這一定會增加總體的動力消耗。 2、 相對教短的壽命 。 其實這是很自然的 。 馬達總在轉來轉去做修正 ， 這一定會增加馬達等轉動部位的消耗 。 四、擬人 化比喻 技術性的東西說了這么多，也許很多對電路原理不熟悉的朋友還是不明白，呵呵，舉個簡單的例子來說明 吧！ 比如遙控器是老師，舵機控制電路是家長，舵機的馬達是小孩 現在的任務是老師要求家長輔導孩子做一個動作，比如倒立 以數字舵機而言，家長自主地給這個動作設置了非常非常嚴格的標準，他要求孩子倒立時
14、在鞋面上擺一個 豎立的硬幣，然后盯著硬幣，硬幣向左一震動他在右邊給孩子一鞭子，硬幣向右一震動他在左邊給孩子一 鞭子 .........總之他要求的不再是老師要求的 “ 倒立 ” ，而是倒立以后頂一枚不倒的硬幣 .......... 模擬舵機的家長部分則是柔和派，老師要求倒立是吧？他忠實地按老師的要求，讓孩子倒立起來，孩子身 體的輕微調整他不去關注了，他只關心是不是偏移了老師的標準，呵呵 五、實際 應用選擇 我們已經 知道模擬舵機 對于極輕微的 外力干擾導致 舵機盤移位的 敏感度 ， 和舵機執(zhí) 行命令的精確度，是不 如數碼舵機的 了，那么我們 是不是應該盡 量使用數碼舵 機呢？？？ 我個人而言不
15、是這么 認為。 首先 舵機的素質，其實不單純是電路決定的，還有舵機的齒輪精度，還有非常非常關鍵的舵機電位器的精度。一顆質量上乘的模擬舵機，往往比電路雖然是數碼但是零件卻是普通貨色的數碼舵機更準確，更 不會抖舵。 其次，要知道我們在模型車上應用的時候，很多時候太高的精度并不是好事！比如你玩 1/8的車，特別是大腳車和越野車，那么爛的路面導致車時而滑動適合騰空，動不動就是零點幾秒、 N公分的偏差，舵機的 微秒級別敏感、微米級別精度對整個事件能起怎么改善？？那叫神經質的舵機反應 ........... 其實應用在 1/8車輛上，一顆 0.1秒反應的模擬舵機是更合適的搭配。它會更省電，更順滑，不會那么神經質。而且最重要的 它不會在一臺轉向虛位有幾毫米的 1/8越野車上，去不停地吱吱叫著去找那 0.1 毫米的居中（其實你即使把舵機連桿給它拆掉，讓舵機空轉，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著折騰自己而已，哈哈） 實際的應用上 ， 我建議是 1/10的競賽級別房車 ， 暴力型的飛機 ， 可以選用數碼舵機 。 所謂神經質配神經質 ，呵呵。 其實我個人選擇舵機 ， 更看重的是品牌和玩家反響 ， 而不是某些山寨工廠一力鼓吹的什么狗屁數碼 ........
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