舵機工作原理要點

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1、 舵機工作原理 標(biāo)準(zhǔn)的舵機有 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型舵機為例，圖 1 是 FUFABA-S3003型舵機的內(nèi)部電路。

2、 3003 舵機的工作原理是： PWM信號由接收通道進入信號解調(diào)電路 BA6688 的 12 腳進行解調(diào)，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(qū)動集成電路 BAL6686，以驅(qū) 動電機正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器 Rw1旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為 O，電機停止轉(zhuǎn)動。 舵機的控制信

3、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(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候電機最大轉(zhuǎn)速。 原理是這樣的 : 收到 1 個脈沖以后， BA6688 內(nèi)部也產(chǎn)生 1 個以 5K 電位器實際電壓為基準(zhǔn)的脈沖， 2 個脈沖比較以后展寬，輸出給驅(qū)動 使用。當(dāng)輸出足夠時候， 馬達就開始加速， 馬達就能產(chǎn)生 EMF，這個和轉(zhuǎn)速成正比的。 因為取的是中心電壓，所

4、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(guān)閉，讓馬達減速或者停車。這樣的好處 是可以避免過沖現(xiàn)象 ( 就是到了定位點還繼續(xù)走 , 然后回頭 , 再靠近 ) 一些國產(chǎn)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(xiàn)象，產(chǎn)生抖舵電源線和地線用于提供舵機內(nèi)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(yīng)能 提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方 波脈沖

5、信號，方波脈沖信號的周期為 20 ms(即頻率為 50 Hz) 。 當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(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。某型舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸 入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖 3 來表示。 可變脈寬輸出試驗 ( 舵機控制 ) 原創(chuàng)：xidongs

6、 整理：armok / 2004-12-05 / www.OurAVR.com 內(nèi)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(dān)當(dāng)著重要的作用。 舵機由無核心馬達所構(gòu)成，可依據(jù)接收機發(fā)出的指令，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動 60所需要的秒數(shù)。

7、 本實驗中控制舵機的 PWM 由 M16 的 PB.0 晶體， vcc ： 5v，僅使用一個八位定時器 timer2 準(zhǔn)確，用示波器和實測都已經(jīng)通過。 分辨率為  輸出， 8M ，波形比較 20 微秒。

8、 伺服馬達的控制： 標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離 ( 因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音 ) 。甚至小伺服馬達在重負(fù)載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。

9、 控制線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(yīng)在 5ms 到 20ms 間，并不很嚴(yán)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(guān)系： 以下是形象的示意圖：

10、 電路圖： 舵機工作原理 1、概述 舵機最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行

11、 姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)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； 遙控器有四個通道，分別對應(yīng)四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉(zhuǎn)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

12、應(yīng) 用：船模上用來控制尾舵， 車模中用來轉(zhuǎn)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(xiàn)。 2、結(jié)構(gòu)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（具體信號待會再講），控制電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達到目標(biāo)停止。

13、 舵機的基本結(jié)構(gòu)是這樣，但實現(xiàn)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(jù)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(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是 4.8V ，一是 6.0V ，分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)， 即輸出力矩不同，

14、6.0V 對應(yīng)的要大一些，具體看應(yīng)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(rèn)。 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(diào)制（ PWM ）信號，其中脈沖寬度從 0.5ms-2.5ms ，相對應(yīng)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(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)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(yīng)的位置上。舵

15、機內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期 20ms ，寬度 1.5ms 的基準(zhǔn)信號，有一個比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生 電機的轉(zhuǎn)動信號。 由此可見， 舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)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(qū)動當(dāng)中。 比方說機器人的關(guān)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(chǎn)的有北京的新幻想、吉林的振華等?，F(xiàn)舉 Futaba S3003 來介紹相關(guān)參數(shù)，以供大家設(shè)計時選用。之所以用 3003 是 因

16、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(shù)據(jù)摘自 Futaba 產(chǎn)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

17、積緊湊，便于安裝； >輸出力矩大，穩(wěn)定性好； >控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口； 正是因為舵機有很多優(yōu)點，所以，現(xiàn)在不僅僅應(yīng)用在航模運動中，已經(jīng)擴展到各種機電產(chǎn)品中來，在機器人控制中應(yīng)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(diào)制信號，所以很方便和數(shù) 字系統(tǒng)進行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號的數(shù)字設(shè)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(chǎn)生舵機的控制信號來進行控制的方法，  編程 語言為 

18、 C51 。之所以介紹這種方法只是因為筆者用  2051  實 現(xiàn)過，本著負(fù)責(zé)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 位的內(nèi)部計數(shù)器， 我們就用它來產(chǎn)生周期 20 ms 的脈沖信號，根據(jù)需要，改變輸出脈寬。基本思路如下 （請對照下面的程序）： 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(shù)器每隔 1/1000 ms 計一次

19、數(shù)。以計數(shù)器 1 為例，先設(shè)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(shè) 定計數(shù)器計數(shù)初始值為 a，并置輸出 p12 為高位。當(dāng)計數(shù)結(jié) 束時，觸發(fā)計數(shù)器溢出中斷函數(shù)，就是 void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函數(shù)中， 改變輸出 p12 為反相（此 時跳為低位），在用 20000 （代表 20ms 周期）減去高位用 的時間 a，就是本周期中低位的時間， c=20000-a ，并設(shè)定 此時的計數(shù)器初值為 c，直到定時器再次產(chǎn)生溢出中斷，重

20、 復(fù)上一過程。 # include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint 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=P1^2; sbit p13=p1^3; sbit p37=P3^7

21、; /*以下兩個函數(shù)為定時器中斷函數(shù) */ /*定時器 1，控制舵機 1，輸出引腳為 P12 ，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(shù)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(nèi) */ }

22、 /*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=!p13; 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(shè)初值 */ p12=1; p13=1; a=1500; b=

23、1500; /* 數(shù)值 1500 即對應(yīng) 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(shè)定定時器初始計數(shù)值 */ EA=1; ET0=1; TR0=1;EX0=1;EX1=1; ET1=1; TR1=1; PX0=0;PX1=0;PT1=1;PT0=1;/* 設(shè)定中斷優(yōu)先級 */ for(;;) { /*在這個 for 循環(huán)中，可

24、以根據(jù)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(shù)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(zhuǎn)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(jù)需要，選擇合適的

25、延時，用一個 a 遞增循環(huán)，可以讓舵機很流暢的轉(zhuǎn)動，而不會產(chǎn)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， t＝ 0 試，脈寬為 0.5ms ， t＝1s 時，脈寬為 1.0ms ，那 么，舵機就會從 0.5ms 對應(yīng)的位置轉(zhuǎn)到 1.0ms 對應(yīng)的位置， 那么轉(zhuǎn)動速度如何呢？一般來講， 3003 的最大轉(zhuǎn)動速度在 4.8V 時為 0.23s/60 度，也就是說，如果你要求的速度比這 個快的話，舵機就反應(yīng)不過來了；如果要求速度比這個慢， 可以將脈寬變化值線性到你要求的時間內(nèi)，做一個循環(huán)，一 點一點的增加脈寬值，就可以控制舵機的速度了。當(dāng)然，具 體這一點一點到底是多少，就需要做試驗了，不然的話，不 合適的話，舵機就會向步進電機一樣一跳一跳的轉(zhuǎn)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轉(zhuǎn)速由零 增加再減速為零的過程，這就是舵機會產(chǎn)生像步進電機一樣 運動的原因