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

圖1 舵機用于機器人

圖2 舵機用于智能小車中

舵機是小車轉(zhuǎn)向的控制機構(gòu)，具有體積小、力矩大、外部機械設(shè)計簡單、穩(wěn)定性高等特點，無論是在硬件設(shè)計還是軟件設(shè)計，舵機設(shè)計是小車控制部分重要的組成部分，圖3為舵機的外形圖。

圖3 舵機外形圖

舵機的組成

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、直流電機、控制電路等，如圖4、圖5所示。

圖4 舵機的組成示意圖

圖5 舵機組成

舵機的輸入線共有三條，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)矩標準，即輸出力矩不同，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，F(xiàn)utaba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。

圖6 舵機的輸出線

舵機工作原理

控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機轉(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)所在位置決定電機轉(zhuǎn)動的方向和速度，從而達到目標停止。其工作流程為：控制信號→控制電路板→電機轉(zhuǎn)動→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。

舵機的控制信號周期為20MS的脈寬調(diào)制(PWM)信號，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對應(yīng)的舵盤位置為0-180度，呈線性變化。也就是說，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持一定對應(yīng)角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，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)位置上如圖7所求。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20MS，寬度1.5MS的基準信號，有一個比出較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而生產(chǎn)電機的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過180度，適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅(qū)動器中，比如說機器人的關(guān)節(jié)、飛機的舵面等。

圖7 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖的關(guān)系

舵機選購

市場上的舵機有塑料齒、金屬齒、小尺寸、標準尺寸、大尺寸，另外還有薄的標準尺寸舵機，及低重心的型號。小舵機一般稱為微型舵機，扭力都比較小，市面上2.5g，3.7g，4.4g，7g，9g等舵機指的是舵機的重量分別是多少克，體積和扭力也是逐漸增大。微型舵機內(nèi)部多數(shù)都是塑料齒，9g舵機有金屬齒的型號，扭力也比塑料齒的要大些。futaba S3003，輝盛 MG995是標準舵機，體積差不多，但前者是塑料齒，后者金屬齒，兩者標稱的扭力也差很多。春天sr403p，Dynamixel AX-12+是機器人專用舵機，不同的是前者是國產(chǎn)，后者是韓國產(chǎn)，兩者都是金屬齒標稱扭力13kg以上，但前者只是改改樣子的模擬舵機，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，兩者在性能和價格上相差很大。

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

廠商所提供的舵機規(guī)格資料，都會包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、測試電壓(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，因此擺臂長度愈長，則扭力愈小。速度的單位是 sec/60°，意思是舵機轉(zhuǎn)動 60°所需要的時間。?電壓會直接影響舵機的性能，例如 Futaba S-9001 在 4.8V 時扭力為 3.9kg/cm、速度為 0.22 秒/60°，在 6.0V 時扭力為 5.2kg/cm、速度為 0.18 秒/60° 。若無特別注明，JR 的舵機都是以 4.8V 為測試電壓，F(xiàn)utaba則是以 6.0V 作為測試電壓。速度快、扭力大的舵機，除了價格貴，還會伴隨著高耗電的特點。因此使用高級的舵機時，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)在市面上的舵機魚龍混雜，總體來說仿品不如正品，便宜的不如貴的，塑料齒的不如金屬齒的，老的不如新的，國內(nèi)的不如外國的等等，大家不必過于追求極致，根據(jù)自身購買力選擇夠用的就行。

舵機使用中應(yīng)注意的事項

1)、常用舵機的額定工作電壓為6V，可以使用LM1117等芯片提供6V的電壓，如果為了簡化硬件上的設(shè)計直接使用5V的供電影響也不是很大，但最好和單片機進行分開供電，否則會造成單片機無法正常工作。

2)、一般來說可以將來信號線連接至單片機的任意引腳，對于51單片機需通過定時器模塊出PWM才能進行控制。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，此時應(yīng)將來信號連于專用的PWM輸出引腳上。

編輯：黃飛

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