伺服電機(jī)特別適用于機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)，例如步進(jìn)電機(jī)。它們用于通過單個(gè)連接到 MCU 的邏輯門來獲得精確的角運(yùn)動(dòng)。它們是小塑料或金屬容器，其中有一根銷子，可以在 0° 到 180° 之間旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定地保持到達(dá)的位置。它使用帶有減速系統(tǒng)的直流電機(jī)，可在旋轉(zhuǎn)過程中增加扭矩。在伺服電機(jī)內(nèi)部，有一個(gè)控制電路能夠檢測(cè)達(dá)到的旋轉(zhuǎn)角度并將電機(jī)鎖定在所需的位置。伺服電機(jī)的電源通常為+5 V。邏輯信號(hào)線也遵循此值。

讓我們旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)

伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)必須通過微控制器執(zhí)行。事實(shí)上，這種類型的協(xié)議遵循一定數(shù)量的規(guī)則和 PWM 節(jié)奏，這些規(guī)則和 PWM 節(jié)奏只能由智能單元生成。實(shí)際上，這些脈沖的目的是使伺服電機(jī)執(zhí)行一次運(yùn)動(dòng)，通常是半圈甚至更少。請(qǐng)記住，它的樞軸不會(huì)自行旋轉(zhuǎn)很多圈，但旋轉(zhuǎn)通常限制在 180° 的延伸范圍內(nèi)。所產(chǎn)生脈沖的占空比寬度決定了行進(jìn)的角距離。每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間必須約為 20 ms，而伺服電機(jī)行進(jìn)的角度由高邏輯脈沖的持續(xù)時(shí)間決定，該持續(xù)時(shí)間必須在 1 ms 和 2 ms 之間。導(dǎo)頻的邏輯方案如圖2所示。

圖 2：有效脈沖的持續(xù)時(shí)間（1 ms 和 2 ms 之間）決定了伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

高扭矩

伺服電機(jī)可以連接反饋和糾錯(cuò)裝置。它們的扭矩在不同的旋轉(zhuǎn)速度下可能非常高。因此，為了正確管理，觀察扭矩曲線很有用，這些曲線是表示伺服在其不同運(yùn)行速度下可以產(chǎn)生的扭矩的特定圖表。圖 3中的圖表顯示了兩個(gè)操作區(qū)域：一個(gè)是連續(xù)的，另一個(gè)是間歇性的。在連續(xù)運(yùn)行區(qū)域中，使用 RMS 轉(zhuǎn)矩，它處理加速、恒速和減速。如果伺服電機(jī)在高于額定溫度的環(huán)境中運(yùn)行，則必須降低轉(zhuǎn)矩曲線。否則，可以安全地增加額定扭矩。

圖 3：發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩圖（來源：Motion Control Tips）

伺服電機(jī)示例

現(xiàn)在讓我們研究一下伺服電機(jī)的使用和驅(qū)動(dòng)它的技術(shù)。為此，我們將使用 Arduino 開發(fā)板，即使在實(shí)踐中可以使用任何其他類型的 MCU。有幾十個(gè)庫可以輕松正確地驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。它們具有許多功能，只需幾行代碼即可以簡(jiǎn)單的方式配置和管理設(shè)備。但是為了更好地理解它是如何工作的，最好從頭開始實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)算法，而不使用第三方軟件組件。提議的方案還提供了伺服電機(jī)與 Arduino 的直接連接。雖然這適用于一個(gè)或兩個(gè)伺服系統(tǒng)，但最好實(shí)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的功率級(jí)，尤其是在有許多伺服系統(tǒng)的情況下。圖4中的接線圖顯示了一個(gè)帶有三個(gè)常開按鈕和一個(gè)伺服電機(jī)的簡(jiǎn)單應(yīng)用。按鈕的功能如下：

第一個(gè)按鈕將伺服電機(jī)向左移動(dòng)。

第二個(gè)將其移至中心。

第三個(gè)將其向右移動(dòng)。

這是一個(gè)可以在許多場(chǎng)合證明有用的試點(diǎn)系統(tǒng)。此外，用戶可以增加按鈕的數(shù)量以提供不同的動(dòng)作。

圖 4：使用伺服電機(jī)的應(yīng)用接線圖

固件非常簡(jiǎn)單，框圖如圖5所示。setup() 函數(shù)的目的是設(shè)置 I/O 端口的操作，特別是輸出中的端口 7，用于向伺服電機(jī)發(fā)送邏輯信號(hào)，以及輸入中的端口 8、9 和 10，用于按鈕。另一方面，loop() 函數(shù)包含無限重復(fù)的主代碼。在其中，三個(gè)按鈕在輪詢中連續(xù)檢查。如果其中之一被按下，MCU 會(huì)向伺服電機(jī)發(fā)送正確的 PWM 序列以使引腳旋轉(zhuǎn)。

圖 5：一個(gè)伺服電機(jī)和三個(gè)按鈕的驅(qū)動(dòng)固件框圖

兩個(gè)伺服電機(jī)的示例

這個(gè)另一個(gè)例子涉及兩個(gè)伺服電機(jī)的交替運(yùn)動(dòng)，如圖 6 所示。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)伺服旋轉(zhuǎn)時(shí)，另一個(gè)是靜止的，反之亦然。通過適當(dāng)?shù)匦薷某绦?，系統(tǒng)可以適應(yīng)無限的用途。例如，它可以用來控制機(jī)器人、機(jī)械臂、攪拌機(jī)、自動(dòng)電機(jī)，或者更簡(jiǎn)單地說，是玩具。當(dāng)按下按鈕時(shí)，其操作如下：

將第一個(gè)電機(jī)的銷向左移動(dòng)。

將第二個(gè)電機(jī)的銷向左移動(dòng)。

將第一個(gè)電機(jī)的銷向右移動(dòng)。

將第二個(gè)電機(jī)的銷向右移動(dòng)。

圖 6：具有兩個(gè)伺服電機(jī)的應(yīng)用接線圖

同樣，固件非常簡(jiǎn)單，即使沒有使用 Arduino 庫。相關(guān)框圖如圖 7所示。setup() 函數(shù)的目的是設(shè)置 I/O 端口的操作，特別是輸出中的端口 7 和 8，用于向伺服電機(jī)發(fā)送邏輯信號(hào)，以及輸入中的端口 10，用于按鈕。另一方面，loop() 函數(shù)包含無限重復(fù)的主代碼。在其中，按鈕是連續(xù)控制的。如果按下它，MCU 會(huì)將 PWM 序列發(fā)送到兩個(gè)伺服電機(jī)以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

圖 7：兩個(gè)伺服電機(jī)和一個(gè)按鈕的驅(qū)動(dòng)固件框圖

伺服電機(jī)的成本是多少？

伺服電機(jī)通常很昂貴（參見圖 8中的圖表）。非常小且動(dòng)力不足的型號(hào)很便宜，但隨著輸出扭矩的增加，它們變得越來越昂貴。在某些情況下，需要大量的機(jī)械功率和高扭矩。降低價(jià)格的一個(gè)解決方案是采用直流齒輪電機(jī)。

圖 8：指示性價(jià)格根據(jù)伺服電機(jī)的強(qiáng)度而有所不同。

一個(gè)有趣的實(shí)際應(yīng)用：四個(gè)伺服與慢動(dòng)作一致

最后一個(gè)例子是構(gòu)建一個(gè)由四個(gè)伺服電機(jī)組成的陣列，它們以相同的動(dòng)作以極慢的速度運(yùn)行。應(yīng)用可以多種多樣，如圖 9 所示，可以預(yù)見使用望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)跟隨行星或使用太陽能電池板將它們定向到最大光的方向，以獲得最佳效率。四伺服電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

所有伺服電機(jī)的單一電源

所有伺服電機(jī)同步且均等運(yùn)動(dòng)（一致）

很慢的動(dòng)作

?

要在多個(gè)伺服電機(jī)上同時(shí)運(yùn)動(dòng)，需要?jiǎng)?chuàng)建四個(gè) PWM 通道。理論上，可以通過一個(gè)邏輯門控制四個(gè)設(shè)備，但在實(shí)踐中，最好使通信通道多樣化（參見圖 10中的接線圖）。事實(shí)上，未來的項(xiàng)目可能需要不同的輪換，在這種情況下，必須重新繪制接線圖，從而浪費(fèi)時(shí)間。

固件包含兩個(gè)嵌套循環(huán)：

第一個(gè)，最里面的一個(gè)，發(fā)送 10 個(gè) PWM 脈沖?？梢钥闯?，20 ms 的暫停是固定的，因?yàn)樗欧姍C(jī)在信號(hào)總周期的測(cè)量中具有很大的容差。

第二個(gè)，最里面的一個(gè)，它調(diào)整脈沖寬度（從 1,000 μs 到 2,000 μs）以確定引腳的旋轉(zhuǎn)角度。

四個(gè)伺服電機(jī)一起從左到右執(zhí)行極其緩慢的運(yùn)動(dòng)，反之亦然。通過修改數(shù)值參數(shù)，也可以改變時(shí)間和運(yùn)行速度。

圖 10：伺服電機(jī)陣列接線圖

結(jié)論

今天驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗袦?zhǔn)備好解釋接收到的脈沖并正確旋轉(zhuǎn)銷的邏輯。理論上，人們也可以避免使用微控制器并將信號(hào)的生成委托給邏輯門和觸發(fā)器，即使最終實(shí)現(xiàn)會(huì)更困難一些。標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的連接原理不會(huì)因制造商而異。特定庫的使用使代碼編程更加容易。

附件

本文隨附的是各個(gè)示例的三個(gè)草圖。您只需要編譯它們并將它們直接上傳到 Arduino 或在可能的模擬器中包含相關(guān)的 HEX 文件。附件是：

伺服01.ino

伺服02.ino

伺服03.ino

還應(yīng)該注意的是，Arduino IDE 提供了將“.ino”源存儲(chǔ)在同名文件夾中的功能。

　　審核編輯：湯梓紅