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1、1、概述 舵機(jī)最早 出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng) 中。在航空模型 中，飛行機(jī)的 飛行姿態(tài)是通過(guò) 調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和各 個(gè)控制舵 面來(lái)實(shí)現(xiàn) 的 。 舉個(gè)簡(jiǎn)單 的四通飛機(jī)來(lái)說(shuō) ， 飛機(jī)上有 以下幾個(gè)地 方需要控制： 1)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn) 氣量 ， 來(lái)控制發(fā) 動(dòng)機(jī)的拉力 （ 或推力）； 2)副翼舵面 （安裝在飛機(jī)機(jī) 翼后緣），用 來(lái)控制飛 機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)； 3)水平尾舵 面，用來(lái)控制飛 機(jī)的俯仰角； 4)垂直尾舵 面，用來(lái)控制飛 機(jī)的偏航角； 不僅在航 模飛機(jī)中，在其 他的模型運(yùn)動(dòng)中 都可以看到它 的應(yīng)用 ： 船模上用 來(lái)控制尾舵 ， 車模中用 來(lái) 轉(zhuǎn)向等等 。 由此可見 ， 凡是需要 操作性動(dòng)作時(shí)都 可以用舵機(jī)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。 2、
2、結(jié)構(gòu)和 控制 一般來(lái)講 ， 舵機(jī)主要 由以下幾個(gè)部分 組成 ， 舵盤、減速 齒輪組、位置反 饋電位計(jì) 5k、直流電 機(jī) 、 控 制電路板 等。 工作原理 ：控制電路板接 受來(lái)自信號(hào)線的 控制信號(hào) ， 控制電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 電機(jī)帶動(dòng) 一系列齒輪組 ， 減速 后傳動(dòng)至 輸出舵盤 。 舵機(jī)的輸 出軸和位置反饋 電位計(jì)是相連的 ，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同 時(shí)，帶動(dòng)位置反 饋電位計(jì) ， 電位計(jì)將 輸出一個(gè)電壓信 號(hào)到控制電路板 ，進(jìn)行反饋 ， 然后控制 電路板根據(jù)所在 位置決定電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)方 向和速度 ，從而達(dá)到目標(biāo) 停止。 舵機(jī)的基 本結(jié)構(gòu)是這樣 ， 但實(shí)現(xiàn)起 來(lái)有很多種 。例如電機(jī) 就有有刷和無(wú)刷 之分 ， 齒輪
3、有塑 料和金屬之 分 ， 輸出軸有 滑動(dòng)和滾動(dòng)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(jià)格也千 差萬(wàn)別 。 例如 ， 其中小舵機(jī)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(jù) 需要選用不同類 型。 舵機(jī)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(jī)提供最基 本的能 源保證， 主要是電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)消耗。電源有 兩種規(guī)格 ，一是 4.8V，一是 6.0V，分別對(duì) 應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo) 準(zhǔn)， 即輸出力 矩不同 ， 6.0V對(duì)應(yīng)的要
4、 大一些 ， 具體看應(yīng) 用條件 ； 另外一根 線是控制信號(hào)線 ， Futaba的一般為 白 色 ， JR的一般為 桔黃色 。 另外要注 意一點(diǎn) ， SANWA的某些型號(hào) 的舵機(jī)引線電源 線在邊上而不是 中間 ， 需要 辨認(rèn) 。 但記住紅 色為電源 ， 黑色為地 線 ， 一般不會(huì) 搞錯(cuò)。 舵機(jī)的控 制信號(hào)為周期是 20ms的脈寬調(diào) 制（ PWM） 信號(hào) ， 其中脈沖 寬度從 0.5ms-2.5ms， 相對(duì)應(yīng) 舵盤的位 置為 0 180度，呈線 性變化。也就是 說(shuō)，給它提供 一定的脈寬 ， 它的輸出 軸就會(huì)保持在一 個(gè)相 對(duì)應(yīng)的角 度上 ， 無(wú)論外界 轉(zhuǎn)矩怎樣改變 ， 直到給它 提供一個(gè)另 外寬度
5、的脈沖信 號(hào) ， 它才會(huì)改 變輸出角度到 新的對(duì)應(yīng) 的位置上 。 舵機(jī)內(nèi)部 有一個(gè)基準(zhǔn)電路 ， 產(chǎn)生周期 20ms，寬度 1.5ms的基準(zhǔn)信 號(hào)，有一個(gè)比較 器 ， 將外加信 號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相 比較，判斷出方 向和大小 ， 從而產(chǎn)生 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào) 。 由此可見 ， 舵機(jī)是一 種位置伺服的 驅(qū)動(dòng)器 ， 轉(zhuǎn)動(dòng)范圍 不能超過(guò) 180度 ， 適用于 那些需要 角度不斷變化并 可以保持的驅(qū)動(dòng) 當(dāng)中 。 比方說(shuō)機(jī)器人 的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的 舵面等。 舵機(jī)具有 以下一些特點(diǎn)： 1)體積緊湊 ，便于安裝；2)輸出力矩 大，穩(wěn)定性好； 3)控制簡(jiǎn)單 ，便于和數(shù)字系 統(tǒng)接口。 正是因?yàn)?舵機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn) ，所以，現(xiàn)在不
6、僅僅應(yīng)用在航 模運(yùn)動(dòng)中，已經(jīng) 擴(kuò)展到各種機(jī)電 產(chǎn)品中來(lái) ， 在機(jī)器人 控制中應(yīng)用也越 來(lái)越廣泛。 3、用單片 機(jī)來(lái)控制 舵機(jī)的控 制信號(hào)是一個(gè)脈 寬調(diào)制信號(hào)，很 方便和數(shù)字系 統(tǒng)進(jìn)行接口 。 只要能產(chǎn) 生標(biāo)準(zhǔn)的控制信 號(hào)的 數(shù)字設(shè)備 都可以用來(lái)控制 舵機(jī) ， 比方 PLC、 單片機(jī)等 。 因?yàn)樵诿} 沖信號(hào)的輸出可 以用定時(shí)器的溢 出中斷函數(shù)來(lái) 處理 ， 時(shí)間很短 ， 因此在精 度要求不高的場(chǎng) 合可以忽 略 。 通過(guò)編程 就可以讓舵機(jī) 從 0度變化 到 180度 。 另外要記 住一點(diǎn) ， 舵機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)需要時(shí)間的 ， 因此 ， 程序中時(shí) 間的變化不能太 快，不然舵機(jī)跟 不上程序 。根據(jù)需要 ， 選
7、擇合適 的延時(shí) ， 返復(fù)調(diào)試 ， 可以讓舵 機(jī) 很流暢的 轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)產(chǎn) 生像步進(jìn)電機(jī)一 樣的脈動(dòng) 。這些還需 要實(shí)踐中具體體 會(huì)。 舵機(jī)的速 度決定于你給它 的信號(hào)脈寬的變 化速度 。 如果你要 求的速度比較快 的話 ， 舵機(jī)就反 應(yīng)不過(guò) 來(lái)了 ； 將脈寬變 化值線性到你要 求的時(shí)間內(nèi) ， 一點(diǎn)一點(diǎn)的增加 脈寬值，就可以 控制舵機(jī)的速度 了。當(dāng)然 ， 具體這一 點(diǎn)一點(diǎn)到底是多 少 ， 就需要做 試驗(yàn)了 ， 不合適的話， 舵機(jī)就會(huì)向步進(jìn) 電機(jī)一樣一跳一 跳的轉(zhuǎn)動(dòng) 了，嘗試 改變這 “ 一點(diǎn) ” ，使你的 舵機(jī)運(yùn)動(dòng)更平滑 。還有一點(diǎn) 很重要 ， 就是舵機(jī) 在每一次脈寬值 改變的時(shí) 候總會(huì)有 一個(gè)
8、轉(zhuǎn)速由零增 加再減速為零的 過(guò)程 ， 這就是舵機(jī)會(huì) 產(chǎn)生像步進(jìn)電機(jī) 一樣運(yùn)動(dòng)的原因 。 驅(qū)動(dòng)一、舵機(jī) 的原理 標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有 3條導(dǎo)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(jī)為例，圖 1是 FUFABA-S3003型舵機(jī)的內(nèi)部電路。 3003舵機(jī)的工作原理是： PWM信號(hào)由接收通道進(jìn)入信號(hào)解調(diào)電路 BA6688的 12腳進(jìn)行解調(diào)，獲得一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng) 集成電路 BAL6686，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器 Rw1旋轉(zhuǎn)
9、，直到電壓差為 O，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 舵機(jī)的控制信號(hào)是 PWM信號(hào)，利用占空比的變化，改變舵機(jī)的位置。 有個(gè)很有趣的技術(shù)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(shí)候電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。 原理是這樣的 : 收到 1個(gè)脈沖以后， BA6688內(nèi)部也產(chǎn)生 1個(gè)以 5K電位器實(shí)際電壓為基準(zhǔn)的脈沖， 2個(gè)脈沖比較以后展寬 ，輸出給驅(qū)動(dòng)使用。當(dāng)輸出足夠時(shí)候，馬達(dá)就開始加速，馬達(dá)就能產(chǎn)生 EMF，這個(gè)和轉(zhuǎn)速成正比的。 因?yàn)槿〉氖侵行碾妷?，所以正常不能檢測(cè)到的，但是運(yùn)行以后就電平發(fā)生傾斜，就能檢測(cè)出來(lái)。超過(guò) EMF判斷電壓時(shí)候就減小展寬 ， 甚至關(guān)閉 ， 讓馬達(dá)減速或者停車 。
10、這樣的好處是可以避免過(guò)沖現(xiàn)象 (就是到了定 位點(diǎn)還繼續(xù)走 ,然后回頭 ,再靠近 ) 一些國(guó)產(chǎn)便宜舵機(jī)用的便宜的芯片，就沒有 EMF控制，馬達(dá)、齒輪的機(jī)械慣性就容易發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象，產(chǎn)生抖舵 電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)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(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈 沖信號(hào)的周期為 20ms(即頻率為 50Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圍 3來(lái)表示。 二、數(shù)碼 舵機(jī) VS模擬
11、舵機(jī) 數(shù)碼舵機(jī)比傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)，在工作方式上有一些優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)也同時(shí)帶來(lái)了一些缺點(diǎn)。 傳統(tǒng)的舵機(jī)在空載的時(shí)候，沒有動(dòng)力被傳到舵機(jī)馬達(dá)。當(dāng)有信號(hào)輸入使舵機(jī)移動(dòng)，或者舵機(jī)的搖臂受到外 力的時(shí)候，舵機(jī)會(huì)作出反應(yīng)，向舵機(jī)馬達(dá)輸出驅(qū)動(dòng)電壓。由第一節(jié)的電路分析我們知道 馬達(dá)是否獲得 驅(qū)動(dòng)電壓，取決于 BA6688的第 3腳是否輸出一個(gè)電壓信號(hào)給 BAL6686馬達(dá)驅(qū)動(dòng) IC。 數(shù)碼舵機(jī)最大的差別是在于它處理接收機(jī)的輸入信號(hào)的方式。相對(duì)與傳統(tǒng)的 50脈沖 /秒的 PWM信號(hào)解調(diào)方式 ， 數(shù)碼舵機(jī)使用信號(hào)預(yù)處理方式 ， 將頻率提高到 300脈沖 /秒 。 因?yàn)轭l率高的關(guān)系 ， 意味著舵機(jī)動(dòng)作會(huì)更 精確
12、， “ 無(wú)反應(yīng)區(qū) ” 變小。 以下的三個(gè)圖表各顯示了兩個(gè)周期的開 /關(guān)脈沖。 圖 1是空載的情況；圖 2是脈沖寬度較窄，比較小的動(dòng)力信號(hào)被輸入馬達(dá)；圖 3是更寬，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的脈沖，更多的輸入動(dòng)力。 您可以想象，一個(gè)短促的脈沖，緊接著很長(zhǎng)的停頓，這意味著舵機(jī)控制精度是不夠高的，這也是為什么模 擬舵機(jī)有 “ 無(wú)反應(yīng)區(qū) ” 的存在。比如說(shuō)，舵機(jī)對(duì)于發(fā)射機(jī)的細(xì)小動(dòng)作，反應(yīng)遲鈍或者根本就沒有反應(yīng)。 而數(shù)碼舵機(jī)提升了脈沖密度，輕微的信號(hào)改變都會(huì)變的可以讀取，這樣無(wú)論是遙控桿的輕微變動(dòng)，或者舵 機(jī)搖臂在外力作用下的極輕微變動(dòng)，都會(huì)能夠檢測(cè)出來(lái)，從而進(jìn)行更細(xì)微的修正。 三、數(shù)碼 舵機(jī)的缺點(diǎn)： 以上我們已經(jīng)知
13、道數(shù)碼舵機(jī)會(huì)更精確這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那么我們來(lái)看數(shù)碼舵機(jī)的缺點(diǎn) 1、 數(shù)碼舵機(jī)需要消耗更多的動(dòng)力 。 其實(shí)這是很自然的 。 數(shù)碼舵機(jī)以更高頻率去修正馬達(dá) ， 這一定會(huì)增加總體的動(dòng)力消耗。 2、 相對(duì)教短的壽命 。 其實(shí)這是很自然的 。 馬達(dá)總在轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去做修正 ， 這一定會(huì)增加馬達(dá)等轉(zhuǎn)動(dòng)部位的消耗 。 四、擬人 化比喻 技術(shù)性的東西說(shuō)了這么多，也許很多對(duì)電路原理不熟悉的朋友還是不明白，呵呵，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明 吧！ 比如遙控器是老師，舵機(jī)控制電路是家長(zhǎng)，舵機(jī)的馬達(dá)是小孩 現(xiàn)在的任務(wù)是老師要求家長(zhǎng)輔導(dǎo)孩子做一個(gè)動(dòng)作，比如倒立 以數(shù)字舵機(jī)而言，家長(zhǎng)自主地給這個(gè)動(dòng)作設(shè)置了非常非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，他要求孩子倒立時(shí)
14、在鞋面上擺一個(gè) 豎立的硬幣，然后盯著硬幣，硬幣向左一震動(dòng)他在右邊給孩子一鞭子，硬幣向右一震動(dòng)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(jī)的家長(zhǎng)部分則是柔和派，老師要求倒立是吧？他忠實(shí)地按老師的要求，讓孩子倒立起來(lái)，孩子身 體的輕微調(diào)整他不去關(guān)注了，他只關(guān)心是不是偏移了老師的標(biāo)準(zhǔn)，呵呵 五、實(shí)際 應(yīng)用選擇 我們已經(jīng) 知道模擬舵機(jī) 對(duì)于極輕微的 外力干擾導(dǎo)致 舵機(jī)盤移位的 敏感度 ， 和舵機(jī)執(zhí) 行命令的精確度，是不 如數(shù)碼舵機(jī)的 了，那么我們 是不是應(yīng)該盡 量使用數(shù)碼舵 機(jī)呢？？？ 我個(gè)人而言不
15、是這么 認(rèn)為。 首先 舵機(jī)的素質(zhì)，其實(shí)不單純是電路決定的，還有舵機(jī)的齒輪精度，還有非常非常關(guān)鍵的舵機(jī)電位器的精度。一顆質(zhì)量上乘的模擬舵機(jī)，往往比電路雖然是數(shù)碼但是零件卻是普通貨色的數(shù)碼舵機(jī)更準(zhǔn)確，更 不會(huì)抖舵。 其次，要知道我們?cè)谀Ｐ蛙嚿蠎?yīng)用的時(shí)候，很多時(shí)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(dǎo)致車時(shí)而滑動(dòng)適合騰空，動(dòng)不動(dòng)就是零點(diǎn)幾秒、 N公分的偏差，舵機(jī)的 微秒級(jí)別敏感、微米級(jí)別精度對(duì)整個(gè)事件能起怎么改善？？那叫神經(jīng)質(zhì)的舵機(jī)反應(yīng) ........... 其實(shí)應(yīng)用在 1/8車輛上，一顆 0.1秒反應(yīng)的模擬舵機(jī)是更合適的搭配。它會(huì)更省電，更順滑，不會(huì)那么神經(jīng)質(zhì)。而且最重要的 它不會(huì)在一臺(tái)轉(zhuǎn)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(shí)你即使把舵機(jī)連桿給它拆掉，讓舵機(jī)空轉(zhuǎn)，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(shí)際的應(yīng)用上 ， 我建議是 1/10的競(jìng)賽級(jí)別房車 ， 暴力型的飛機(jī) ， 可以選用數(shù)碼舵機(jī) 。 所謂神經(jīng)質(zhì)配神經(jīng)質(zhì) ，呵呵。 其實(shí)我個(gè)人選擇舵機(jī) ， 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(shù)碼 ........
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