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舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。
舵機(jī)的工作原理：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)、控制電路板等。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，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)的位置上。轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過(guò)180度。適合于需要不斷角度變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)電路中。
控制電路板中的信號(hào)調(diào)制芯片接收來(lái)自信號(hào)線的信號(hào)，獲得偏置電壓，芯片內(nèi)部本身帶有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20毫秒，寬度為1.5MS的基準(zhǔn)信號(hào)，獲得的偏置電壓信號(hào)會(huì)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，電壓差的正負(fù)值輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片將決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，因?yàn)槎鏅C(jī)的輸出軸與位置反饋電位計(jì)是相連的，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)反饋電位計(jì)（電位器）旋轉(zhuǎn)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行負(fù)反饋，當(dāng)電壓差為零時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置。
舵機(jī)的控制：
舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms~2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：
0.5ms-----------負(fù)90度；
1.0ms-----------負(fù)45度；
1.5ms------------0度；
2.0ms-----------正45度；
2.5ms-----------正90度；
請(qǐng)看下形象描述吧:
這只是一種參考數(shù)值，具體的參數(shù)，請(qǐng)參見舵機(jī)的技術(shù)參數(shù)。
第八屆的B車模采用的舵機(jī)是SD_5參數(shù)如下：
簡(jiǎn)介：數(shù)字舵機(jī)，最高工作電壓是5.5V,正常工作電流是200mA,具有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，當(dāng)堵轉(zhuǎn)電流大于或等于800mA時(shí)，舵機(jī)在三秒后開始保護(hù)電路、電機(jī)，降低電流，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。但不排除電壓過(guò)高燒壞的風(fēng)險(xiǎn)，詳細(xì)了解一款舵機(jī)的工作參數(shù)是精準(zhǔn)控制的前提。
在我們看來(lái)，理想的舵機(jī)模型應(yīng)滿足以下條件
1、響應(yīng)時(shí)間為零，在接到指令后即可轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。
2、力矩為無(wú)窮大，可以克服一切機(jī)械阻力。
3、對(duì)外界的電磁干擾不敏感，也不對(duì)外產(chǎn)生電磁干擾。
4、工作中中值恒定。
5、控制精度足夠高。
6、舵機(jī)轉(zhuǎn)角與高電平時(shí)間呈線性關(guān)系。
出于以上幾點(diǎn)，我們知道理想模型是不存在的，但我們可以對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行改進(jìn)。如何縮短舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間？提高工作電壓是一個(gè)方法，在最高允許工作電壓下，電壓越高，響應(yīng)越快。加長(zhǎng)舵機(jī)機(jī)械臂也是一個(gè)方法，根據(jù)杠桿原理，臂長(zhǎng)越長(zhǎng)，前輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越小，但臂長(zhǎng)加長(zhǎng)，對(duì)舵機(jī)輸出力矩強(qiáng)度要求就越高，當(dāng)強(qiáng)度不能滿足要求時(shí)，控制精度就會(huì)下降，并有可能因?yàn)殡娏鬟^(guò)大燒壞舵機(jī)。
舵機(jī)控制：（以下為摘抄參考內(nèi)容）
小型舵機(jī)的工作電壓一般為4.8V或6V，轉(zhuǎn)速也不是很快，一般為0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時(shí)，舵機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)。如果需要更快速的反應(yīng)，就需要更高的轉(zhuǎn)速了。
要精確的控制舵機(jī)，其實(shí)沒(méi)有那么容易，很多舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè)，那么，如果舵機(jī)的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達(dá)到180/1024度約0.18度了，從時(shí)間上看其實(shí)要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個(gè)舵機(jī)，連控制精度為1度都達(dá)不到的話，而且還看到舵機(jī)在發(fā)抖。在這種情況下，只要舵機(jī)的電壓沒(méi)有抖動(dòng)，那抖動(dòng)的就是你的控制脈沖了。而這個(gè)脈沖為什么會(huì)抖動(dòng)呢？當(dāng)然和你選用的脈沖發(fā)生器有關(guān)了。一些前輩喜歡用555來(lái)調(diào)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖，如果只是控制幾個(gè)點(diǎn)位置伺服好像是可以這么做的，可以多用幾個(gè)開關(guān)引些電阻出來(lái)調(diào)占空比，這么做簡(jiǎn)單嗎，應(yīng)該不會(huì)啦，調(diào)試應(yīng)該是非常麻煩而且運(yùn)行也不一定可靠的。其實(shí)主要還是他那個(gè)年代，單片機(jī)這東西不流行呀，哪里會(huì)喲！
使用傳統(tǒng)單片機(jī)控制舵機(jī)的方案也有很多，多是利用定時(shí)器和中斷的方式來(lái)完成控制的，這樣的方式控制1個(gè)舵機(jī)還是相當(dāng)有效的，但是隨著舵機(jī)數(shù)量的增加，也許控制起來(lái)就沒(méi)有那么方便而且可以達(dá)到約2微秒的脈寬控制精度了。聽說(shuō)AVR也有控制32個(gè)舵機(jī)的試驗(yàn)板，不過(guò)精度能不能達(dá)到2微秒可能還是要泰克才知道了。其實(shí)測(cè)試起來(lái)很簡(jiǎn)單，你只需要將其控制信號(hào)與示波器連接，然后讓試驗(yàn)板輸出的舵機(jī)控制信號(hào)以2微秒的寬度遞增。
為什么FPPA就可以很方便地將脈寬的精度精確地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。主要還是 delay memory這樣的具有創(chuàng)造性的指令發(fā)揮了功效。該指令的延時(shí)時(shí)間為數(shù)據(jù)單元中的立即數(shù)的值加1個(gè)指令周期（數(shù)據(jù)0出外，詳情請(qǐng)參見delay指令使用注意事項(xiàng)）因?yàn)槭?位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所以memory中的數(shù)據(jù)為（0～255），記得前面有提過(guò)，舵機(jī)的角度級(jí)數(shù)一般為1024級(jí)，所以只用一個(gè)存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)延時(shí)參數(shù)好像還不夠用的，所以我們可以采用2個(gè)內(nèi)存單元來(lái)存放舵機(jī)的角度伺服參數(shù)了。所以這樣一來(lái)，我們可以采用這樣的軟件結(jié)構(gòu)了：
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淺談舵機(jī)電路及其控制原理.docx
2018-4-28 15:01 上傳
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