舵机为的工作原理

舵机原理是什么~

第42期《Arduino入门》善假篇 05：舵机的PWM控制原理

控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。
舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。举个简单的四通飞机来说，飞机上有以下几个地方需要控制：
1、发动机进气量，来控制发动机的拉力（或推力）；
2、副翼舵面（安装在飞机机翼后缘），用来控制飞机的横滚运动；
3、水平尾舵面，用来控制飞机的俯仰角；
4、垂直尾舵面，用来控制飞机的偏航角；
遥控器有四个通道，分别对应四个舵机，而舵机又通过连杆等传动元件带动舵面的转动，从而改变飞机的运动状态。舵机因此得名：控制舵面的伺服电机。

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。
舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。
舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等。

舵机工作原理
1、概述
舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。举个简单的四通飞机来说，飞机上有以下几个地方需要控制：
1.发动机进气量，来控制发动机的拉力（或推力）；
2.副翼舵面（安装在飞机机翼后缘），用来控制飞机的横滚运动；
3.水平尾舵面，用来控制飞机的俯仰角；
4.垂直尾舵面，用来控制飞机的偏航角；
遥控器有四个通道，分别对应四个舵机，而舵机又通过连杆等传动元件带动舵面的转动，从而改变飞机的运动状态。舵机因此得名：控制舵面的伺服电机。
不仅在航模飞机中，在其他的模型运动中都可以看到它的应用：船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等等。由此可见，凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。

2、结构和控制
一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。
工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。
舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。
舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。
舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。
常见的舵机厂家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，国产的有北京的新幻想、吉林的振华等。现举Futaba S3003来介绍相关参数，以供大家设计时选用。之所以用3003是因为这个型号是市场上最常见的，也是价格相对较便宜的一种（以下数据摘自Futaba产品手册）。
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)
输出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V)
4.1 kg.cm (6.0V)

由此可见，舵机具有以下一些特点：
>体积紧凑，便于安装；
>输出力矩大，稳定性好；
>控制简单，便于和数字系统接口；
正是因为舵机有很多优点，所以，现在不仅仅应用在航模运动中，已经扩展到各种机电产品中来，在机器人控制中应用也越来越广泛。

3、用单片机来控制
正是舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比方PLC、单片机等。这里介绍利用51系列单片机产生舵机的控制信号来进行控制的方法，编程语言为C51。之所以介绍这种方法只是因为笔者用2051实现过，本着负责的态度，所以敢在这里写出来。程序用的是我的四足步行机器人，有删改。单片机并不是控制舵机的最好的方法，希望在此能起到抛砖引玉的作用。
2051有两个16位的内部计数器，我们就用它来产生周期20 ms的脉冲信号，根据需要，改变输出脉宽。基本思路如下（请对照下面的程序）：
我用的晶振频率为12M，2051一个时钟周期为12个晶振周期，正好是1/1000 ms，计数器每隔1/1000 ms计一次数。以计数器1为例，先设定脉宽的初始值，程序中初始为1.5ms，在for循环中可以随时通过改变a值来改变，然后设定计数器计数初始值为a，并置输出p12为高位。当计数结束时，触发计数器溢出中断函数，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函数中，改变输出p12为反相（此时跳为低位），在用20000（代表20ms周期）减去高位用的时间a，就是本周期中低位的时间，c=20000-a，并设定此时的计数器初值为c，直到定时器再次产生溢出中断，重复上一过程。

# include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

uint a,b,c,d;
/*a为舵机1的脉冲宽度，b为舵机2的脉冲宽度，单位1/1000 ms */
/*c、d为中间变量*/

/*以下定义输出管脚*/
sbit p12=P1^2;
sbit p13=p1^3;
sbit p37=P3^7;

/*以下两个函数为定时器中断函数*/

/*定时器1，控制舵机1，输出引脚为P12，可自定义*/
void timer0(void) interrupt 1 using 1
{p12=!p12; /*输出取反*/
c=20000-c; /*20000代表20 ms，为一个周期的时间*/
TH0=-(c/256); TL0=-(c%256); /*重新定义计数初值*/
if(c>=500&&c<=2500)c=a;
else c="20000-a"; /*判断脉宽是否在正常范围之内*/
}

/*定时器2，控制舵机2，输出引脚为P13，可自定义*/
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; /*设初值*/
p12=1;
p13=1;
a=1500;
b=1500; /*数值1500即对应1.5ms，为舵机的中间90度的位置*/
c=a;d=b;
TH0=-(a/256); TL0=-(a%256);
TH1=-(b/256); TL1=-(b%256); /*设定定时器初始计数值*/
EA=1;
ET0=1; TR0=1;EX0=1;EX1=1;
ET1=1; TR1=1;
PX0=0;PX1=0;PT1=1;PT0=1;/*设定中断优先级*/
for(;;)
{
/*在这个for循环中，可以根据程序需要
在任何时间改变a、b值来改变脉宽的输
出时间，从而控制舵机*/
}
}

因为在脉冲信号的输出是靠定时器的溢出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。因此如果忽略中断时间，从另一个角度来讲就是主程序和脉冲输出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改变a值，例如让a从500变化到2500，就可以让舵机从0度变化到180度。另外要记住一点，舵机的转动需要时间的，因此，程序中a值的变化不能太快，不然舵机跟不上程序。根据需要，选择合适的延时，用一个a递增循环，可以让舵机很流畅的转动，而不会产生像步进电机一样的脉动。这些还需要实践中具体体会。

舵机的速度决定于你给它的信号脉宽的变化速度。举个例子，t＝0试，脉宽为0.5ms，t＝1s时，脉宽为1.0ms，那么，舵机就会从0.5ms对应的位置转到1.0ms对应的位置，那么转动速度如何呢？一般来讲，3003的最大转动速度在4.8V时为0.23s/60度，也就是说，如果你要求的速度比这个快的话，舵机就反应不过来了；如果要求速度比这个慢，可以将脉宽变化值线性到你要求的时间内，做一个循环，一点一点的增加脉宽值，就可以控制舵机的速度了。当然，具体这一点一点到底是多少，就需要做试验了，不然的话，不合适的话，舵机就会向步进电机一样一跳一跳的转动了，尝试改变这“一点”，使你的舵机运动更平滑。还有一点很重要，就是舵机在每一次脉宽值改变的时候总会有一个转速由零增加再减速为零的过程，这就是舵机会产生像步进电机一样运动的原因

舵机有齿轮组

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杨亨富马： 液压舵机由两部分组成:机械机构和液压控制系统,而液压控制系统又是由液压系统和电路控制系统两部分组成,其中反馈信号的检测、放大、校正都是在电路控制系统中完成的.机械机构的作用是将液压能转换成机械能,推动舵面偏转.液压...

莲都区17345446689： 模型舵机工作原理 - ？
杨亨富马： 模型舵机的原理是控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压.它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出.最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转.当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动.

莲都区17345446689： 舵机原理是什么 - ？
杨亨富马： 舵机的工作原理.舵机常用的控制信号是一个周期为20毫秒左右,宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号.当舵机收到该信号后,会马上激发出一个与之相同的,宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲.之后二个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲.输入信号脉冲如果宽于负向的标准脉冲,得到的就是正的差值脉冲.如果输入脉冲比标准脉冲窄,相加后得到的肯定是负的脉冲.此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号.舵机电机的转动,通过齿轮组减速后,同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动.直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全相同时,差值脉冲消失时才会停止转动!,这就是舵机的工作原理.

莲都区17345446689： 航模飞机里的舵机是怎么工作原理 - ？
杨亨富马： 一种是结构上的限位,还有就是通过芯片控制他的动作来限位.中间左右就是靠芯片加电路来实现的.360度的机器人多级也有很多.你说的机翼舵机主要是9g舵机.里面结构挺简单的.

莲都区17345446689： 固定翼遥控飞机上的舵机工作原理是什么 - ？
杨亨富马： 工作原理:控制电路板接受来自信号线的控制信号(具体信号待会再讲),控制电机转动,电机带动一系列齿轮组,减速后传动至输出舵盘.舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的,舵盘转动的同时,带动位置反馈电位计,电位计将输出一个电压信号到控制电路板,进行反馈,然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度,从而达到目标停止.

莲都区17345446689： 飞机舵机和舵回路的基本原理 - ？
杨亨富马： 液压舵机是飞机自动控制系统和电传操纵系统的液压执行装置.舵回路是舵机的控制回路.液压舵机通常由电液伺服阀和液压作动筒组成.电液伺服阀按照变换放大器来的控制信号控制高压油,受控制的高压油推动作动筒中的活塞运动,使作动筒输出很大的功率去推动飞机的舵面偏转.舵回路由舵机、放大器、反馈元件组成.反馈元件包括测速机和位置传感器,构成两个负反馈:测速反馈和位置反馈.舵回路有比例式和积分式两种.比例式是舵面偏转角和被控量的偏差成比例关系.积分式是舵面偏转角和被控量的偏差成积分关系,或舵面偏转角速度与被控量的偏差成比例关系.

莲都区17345446689： 高压舵机和低压舵机的区别 - ？
杨亨富马： 高压舵机和低压舵机的区别在于输入电压不同:低压舵机输入是4.8v,高压舵机输入电压是7.2v,普通舵机输入电压是6V.舵机的工作原理是控制电路接收信号源的控制信号,并驱动电机转动;齿轮组将电机的速度成大倍数缩小,并将电机的输出扭矩放大响应倍数,然后输出;电位器和齿轮组的末级一起转动,测量舵机轴转动角度;电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度,然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度. 其工作流程为:控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈.

莲都区17345446689： 航模的舵机是什么原理?是步进电机吗? - ？
杨亨富马： 即使一套带反馈的的伺服机.电机通过多级齿轮减速后传给输出轴,输出轴的下面连着一个同步转动的反馈电位器(也有霍尔的),电路通过检测电位器的阻止和舵机输入信号作比较,就能确定舵机应该停留在那个位置了.

莲都区17345446689： 舵机是什么 - ？
杨亨富马： 能够转舵并保持舵位的装置.