舵机的构造和原理

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1、舵机的构造和原理舵机的构造和原理2008-06-20 08:50:29 来源: 作者: 【大 中 小】 评论：0 条前言前言舵机是遥控模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。如何审慎地选择经济且合乎需求的舵机，也是一门不可轻忽的学问。 本文章主要探讨适合各等级直升机各工作部位所使用的舵机，至於其它种类的模型，如飞机、车、船，则不在本篇文章讨论范围之内。舵机的构造舵机的构造 舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位

2、置检测器送回讯号，判断是否已到达定位。 位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会跟着改变，测量电阻值便可知转动的角度。 一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流过线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，於是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机。并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属的区分。较高级的舵机会装置滚珠

3、轴承，使得转动时能更轻快精准。滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。 目前新推出 FET 舵机，主要是采用 FET(Field Effect Transistor)场效电晶体。FET 具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。技术规格技术规格 厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(cm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60。)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是 kg-cm，意思是在摆臂长度 1 公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是 sec/60。，意思是舵机转动 60。所需要的时间。 电压会直接影响舵机

4、的性能，例如 Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg、速度为 0.22秒，在 6.0V 时扭力为 5.2kg、速度为 0.18 秒。若无特别注明，JR 的舵机都是以 4.8V 为测试电压，Futaba 则是以 6.0V 作为测试电压。所谓天下没有白吃的午餐，速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随着高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的镍镉电池，能提供稳定且充裕的电流，才可发挥舵机应有的性能。选择舵机选择舵机标准的直升机需搭配 5 颗舵机，分别控制油门、副翼、升降舵、螺距及尾舵。 油门油门是所有动作中负载最轻的部位，且负载不会受到外在因素的影响而

5、改变，所以选择油门舵机时，扭力不是问题(1kg 就绰绰有馀)，速度才是关键。因为直升机的油门与螺距作混控，故油门与螺距舵机的速度最好要一致，才不会发生螺距舵机已到达定位，油门舵机却姗姗来迟的情况。尤其作剧烈的 3D 飞行时，油门与螺距的变化量极大，若油门与螺距舵机的速度不协调，会发生马力延迟的状况。油门舵机的速度并不是愈快愈好，因为还要考虑引擎的反应时间。引擎必须经过吸气、压缩、爆炸、排气这一连串的步骤，尤其直升机用的引擎并不属於高转速型，因此舵机的速度如果太快，就会产生引擎运转速度跟不上舵机的动作，进而出现油气混合比不适当的状况。建议采用速度为 0.190.24 秒的舵机。 副翼及升降舵30

6、 级及 46 级的直升机选择扭力 3kg 以上的舵机，60 级的直升机则选择扭力 5kg 以上的舵机。副翼及升降舵的反应速度，主要是由主旋翼转速及平衡翼片的重量所控制，与舵机的速度快慢，较无明显且直接的关联，所以不需使用太快的舵机。建议采用速度为0.200.26 秒的舵机。 螺距直升机的主旋翼螺距是出了名的重负载，因此螺距舵机的扭力一定要够，最好能选择扭力5kg 以上的舵机。建议采用速度为 0.190.24 秒的舵机。 尾舵尾舵舵机的扭力不需太大，3kg 就已经足够了。请依据您所使用的陀螺仪等级来搭配尾舵舵机。机械式陀螺仪因为反应速度较慢，因此无需使用高速舵机。压电式陀螺仪需搭配高速舵机，才能

7、发挥陀螺仪的性能。高级的陀螺仪都会指明建议使用的舵机，例如 JR 5000T陀螺仪建议搭配 NES-8700G 舵机，Futaba GY-501 陀螺仪建议搭配 S-9205 舵机。若您使用的压电式陀螺仪并无特别指明舵机的类型，建议您购买速度愈快的舵机愈好。 如何以最经济的方式购买合用的舵机，请叁考下列步骤： 1. 先决定螺距舵机，选择扭力 5kg 以上的舵机，再依据预算的多寡决定舵机的速度。2. 依照螺距舵机的速度，选择同速度但扭力小的舵机，作为油门舵机。3. 依据直升机的级数大小，选择扭力为 3kg 或 5kg 以上，速度为 0.200.26 秒的舵机，作为副翼及升降舵舵机。4. 依据陀螺

8、仪的等级来决定尾舵舵机的速度，愈高级的陀螺仪才需使用高级的舵机。若您使用 CCPM 的直升机，因为是由副翼、升降舵及螺距舵机采混控的方式共同来推动十字盘，所以这三个动作要选择同型号的舵机。CCPM 的优点是连杆数少、传动直接、虚位小，并且可减轻舵机的负荷，延长舵机的使用寿命。 爱惜您的舵机一般说来舵机并不需要特别的保养，只要注意下列重点，就可使您的舵机长命百岁。 直升机的机械可动部份，不可小於舵机的行程活动范围。 不要随意改变电源电压，例如接收机用 4.8V，请勿为了提升舵机的性能而改用 6.0V。 机的相关原理与控制原理机的相关原理与控制原理什么是舵机：在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是

9、性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。还是看看具体的实物比较过瘾一点：2. 其工作原理是：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

10、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。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。3. 舵机的控制：舵机的控制一般需要一个 20ms 左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为 0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以 180 度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms-0 度；1.0ms-45 度；1.5ms-90 度；2.0ms-135 度；2.5ms-180 度；请看下形象描

11、述吧:这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。小型舵机的工作电压一般为 4.8V 或 6V，转速也不是很快，一般为 0.22/60 度或 0.18/60度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有 1024 个，那么，如果舵机的有效角度范围为 180 度的话，其控制的角度精度是可以达到 180/1024 度约 0.18 度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为 2000/1024us 约 2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为 1 度都达不到的话，而且还看到舵机在

12、发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。一些前辈喜欢用 555 来调舵机的驱动脉冲，如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的，可以多用几个开关引些电阻出来调占空比，这么做简单吗，应该不会啦，调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。其实主要还是他那个年代，单片机这东西不流行呀，哪里会哟！使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制 1 个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约 2 微秒的脉宽控制精度了。听说

13、AVR 也有控制 32 个舵机的试验板，不过精度能不能达到 2 微秒可能还是要泰克才知道了。其实测试起来很简单，你只需要将其控制信号与示波器连接，然后让试验板输出的舵机控制信号以 2 微秒的宽度递增。为什么 FPPA 就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在 2 微秒甚至 2 微秒一下呢。主要还是 delay memory 这样的具有创造性的指令发挥了功效。该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加 1 个指令周期（数据 0 出外，详情请参见 delay 指令使用注意事项）因为是 8 位的数据存储单元，所以 memory 中的数据为（0255） ，记得前面有提过，舵机的角度级数一般为 1024

14、级，所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的，所以我们可以采用 2 个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了。所以这样一来，我们可以采用这样的软件结构了：舵机驱动的应用场合： 1. 高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真实的驾车体验.2. 多自由度机器人设计,为什么日本人设计的机器人可以上万 RMB 的出售,而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题.3. 多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等程序原理可以是这样的： pushw pwm0 ; /注意这里的 pwmn 指第 n 路的 pwm 参数值，是个 16 位数/据存放空

15、间，相信 8 位机中一次操作个 16 位数据也是首见吧popw pwmtemp; /将 16 位数据移动到一个临时空间set1 s_motor0_drvcall pwm_delayset0 s_motor0_drv;pushw pwm1popw pwmtempset1 s_motor1_drvcall pwm_delayset0 s_motor1_drv按这样写下去，一路 PC 写 7 个这样的伺服也一点不紧张的，因为 PWM 的周期是 20 毫秒，而最大脉宽才 2.5 毫秒，7*2.517.5 毫秒。写完了所有的脉冲后又做什么，跳回再等待下一个 20 毫秒有效的信号量。而 20 毫秒的信号量

16、从哪里来，因为多核心，当然可以随便拿个工作频率低点的 CPU 来产生啦。这样一来，一颗 14PIN 的 FPPA ,PDK80C02-SOP14 就可以通过无线或者红外来精确控制 7 路舵机。 本帖最后由 zhlu8866 于 2008-6-10 17:20 编辑 什么是舵机：在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系 统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之 接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控 制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使 用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。还是看看具体的实物比较过瘾一点：2.