舵機(jī)也叫伺服電機(jī)，最早用于船舶上實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能，由于可以通過(guò)程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角，因而被廣泛應(yīng)用機(jī)器人的各類關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，以及用在智能小車上以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如圖1 、圖2 所示。

圖1 舵機(jī)用于機(jī)器人

圖2 舵機(jī)用于智能小車中

舵機(jī)是小車轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)，具有體積小、力矩大、外部機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，無(wú)論是在硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，舵機(jī)設(shè)計(jì)是小車控制部分重要的組成部分，圖3為舵機(jī)的外形圖。

圖3 舵機(jī)外形圖

舵機(jī)的組成

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)、直流電機(jī)、控制電路等，如圖4、圖5所示。

圖4 舵機(jī)的組成示意圖

圖5 舵機(jī)組成

舵機(jī)的輸入線共有三條，如圖6所示，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)的要大一些，具體看應(yīng)用條件;另外一根線是控制信號(hào)線，F(xiàn)utaba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)。

圖6 舵機(jī)的輸出線

舵機(jī)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)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。其工作流程為：控制信號(hào)→控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)→位置反饋電位計(jì)→控制電路板反饋。

舵機(jī)的控制信號(hào)周期為20MS的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對(duì)應(yīng)的舵盤位置為0-180度，呈線性變化。也就是說(shuō)，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持一定對(duì)應(yīng)角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上如圖7所求。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20MS，寬度1.5MS的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比出較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而生產(chǎn)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，適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)器中，比如說(shuō)機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。

圖7 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖的關(guān)系

舵機(jī)選購(gòu)

市場(chǎng)上的舵機(jī)有塑料齒、金屬齒、小尺寸、標(biāo)準(zhǔn)尺寸、大尺寸，另外還有薄的標(biāo)準(zhǔn)尺寸舵機(jī)，及低重心的型號(hào)。小舵機(jī)一般稱為微型舵機(jī)，扭力都比較小，市面上2.5g，3.7g，4.4g，7g，9g等舵機(jī)指的是舵機(jī)的重量分別是多少克，體積和扭力也是逐漸增大。微型舵機(jī)內(nèi)部多數(shù)都是塑料齒，9g舵機(jī)有金屬齒的型號(hào)，扭力也比塑料齒的要大些。futaba S3003，輝盛 MG995是標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，體積差不多，但前者是塑料齒，后者金屬齒，兩者標(biāo)稱的扭力也差很多。春天sr403p，Dynamixel AX-12+是機(jī)器人專用舵機(jī)，不同的是前者是國(guó)產(chǎn)，后者是韓國(guó)產(chǎn)，兩者都是金屬齒標(biāo)稱扭力13kg以上，但前者只是改改樣子的模擬舵機(jī)，后者則是RS485串口通信，具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能的數(shù)字舵機(jī)，兩者在性能和價(jià)格上相差很大。

除了體積，外形和扭力的不同選擇，舵機(jī)的反應(yīng)速度和虛位也要考慮，一般舵機(jī)的標(biāo)稱反應(yīng)速度常見0.22 秒/60°，0.18 秒/60°，好些的舵機(jī)有0.12 秒/60°等的，數(shù)值小反應(yīng)就快。

廠商所提供的舵機(jī)規(guī)格資料，都會(huì)包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、測(cè)試電壓(V)及重量(g)等基本資料。扭力的單位是 kg/cm，意思是在擺臂長(zhǎng)度 1 公分處，能吊起幾公斤重的物體。這就是力臂的觀念，因此擺臂長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，則扭力愈小。速度的單位是 sec/60°，意思是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 60°所需要的時(shí)間。?電壓會(huì)直接影響舵機(jī)的性能，例如 Futaba S-9001 在 4.8V 時(shí)扭力為 3.9kg/cm、速度為 0.22 秒/60°，在 6.0V 時(shí)扭力為 5.2kg/cm、速度為 0.18 秒/60° 。若無(wú)特別注明，JR 的舵機(jī)都是以 4.8V 為測(cè)試電壓，F(xiàn)utaba則是以 6.0V 作為測(cè)試電壓。速度快、扭力大的舵機(jī)，除了價(jià)格貴，還會(huì)伴隨著高耗電的特點(diǎn)。因此使用高級(jí)的舵機(jī)時(shí)，務(wù)必搭配高品質(zhì)、高容量的電池，能提供穩(wěn)定且充裕的。

現(xiàn)在市面上的舵機(jī)魚龍混雜，總體來(lái)說(shuō)仿品不如正品，便宜的不如貴的，塑料齒的不如金屬齒的，老的不如新的，國(guó)內(nèi)的不如外國(guó)的等等，大家不必過(guò)于追求極致，根據(jù)自身購(gòu)買力選擇夠用的就行。

舵機(jī)使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

1)、常用舵機(jī)的額定工作電壓為6V，可以使用LM1117等芯片提供6V的電壓，如果為了簡(jiǎn)化硬件上的設(shè)計(jì)直接使用5V的供電影響也不是很大，但最好和單片機(jī)進(jìn)行分開供電，否則會(huì)造成單片機(jī)無(wú)法正常工作。

2)、一般來(lái)說(shuō)可以將來(lái)信號(hào)線連接至單片機(jī)的任意引腳，對(duì)于51單片機(jī)需通過(guò)定時(shí)器模塊出PWM才能進(jìn)行控制。但是如果連接像飛思卡爾之類的芯片，由于飛思卡爾內(nèi)部帶有PWM模塊，可以直接輸出PWM信號(hào)，此時(shí)應(yīng)將來(lái)信號(hào)連于專用的PWM輸出引腳上。

編輯：黃飛

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