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1、舵机的工作原理: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。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。 舵机的控制: 舵机的控制一般需要一个 20ms 的时基脉冲，该脉冲的高电平部
2、分一般为0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度舵机为例，那么对应的控制关系是这样的:0.5ms0 度；1.0ms45 度1.5ms90 度2.0ms135 度2.5ms180 度请看下形象描述吧:00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 mstorobotTR21300.5 1.0 1.5 2.0 2.5 mstorobotTR213 舵机的工作电压和电流:每一款舵机都有自己的参数，如 TR213 舵机的工作电压是 4.8-7.2V，TR205 舵机 的工作电压是4.8-6V，电压不能超过这个范围，否则会很容易烧坏舵机，在不 清楚舵机工作电压范围的情况下，建议使用5V给舵
3、机供电。舵机的工作电流是根据舵机的实际情况而定的，如 TR213 舵机，在空载的时候电 流几乎为0而在正常负载的情况下，电流在0.5A左右，视实际情况而定。六 足机器人需要18个TR213金属舵机，需要提高的电流大概在8A左右，如果电源 功率不够会影响舵机的性能，最常见的现象是，当一个舵机负载的时候，其他舵 机会出现混乱，无规律的乱摆。舵机三根线的区分：信号线接单片机 I/O 口，由于舵机内部有驱动电路，所以可以直接用普通的单片 机 I/O 口直接控制；电源正极，接输入电源的正极；地线，接输入电源的负极； 备注：如果控制部分和电源部分是分开的，两者一定要共地。舵机最近几年国内机器人开始起步发展
4、，很多高校、中小学都开始进行机器人技术教 学。小型的机器人、模块化的机器人、组件式的机器人是教学机器人的首选。在 这些机器人产品中，舵机是最关键，使用最多的部件。根据控制方式，舵机应该称为微型伺服马达。早期在模型上使用最多，主要用于 控制模型的舵面，所以俗称舵机。舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动 到一个比较精确的角度，所以非常适合在关节型机器人产品使用。仿人型机器人 就是舵机运用的最高境界。一、舵机的结构舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于 安装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的 电机系统。舵机安装了一个电位器（或其它角
5、度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据 电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式 叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文 Servo。舵机的主体结构如下图所示，主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位 器、控制电路。简单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。电机卜洗舵盘上壳控制电路齿轮组中壳舵机的外壳一般是塑料的，特殊
6、的舵机可能会有金属铝合金外壳。金属外壳能够 提供更好的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输 出。金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。齿轮箱有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差别。塑料齿轮成本底，噪音小，但 强度较低；金属齿轮强度高，但成本高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪 音。小扭矩舵机、微舵、扭矩大但功率密度小的舵机一般都用塑料齿轮，如 Futaba 3003，辉盛的9g微舵。金属齿轮一般用于功率密度较高的舵机上，比如辉盛的 995舵机，在和3003 一样体积的情况下却能提供13KG的扭矩。Hi tec甚至用钛 合金作为齿轮材料，其高强度能保证3003大小的舵机能提
7、供20几公斤的扭矩。 混合齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中，在电机输出齿轮上扭矩一般不大， 用塑料齿轮。二、舵机的规格和选型当今使用的舵机有模拟舵机和数字舵机之分（具体差别见第节），不过数字舵机 还是相对较少。下面的技术规格同时适用与两种舵机。舵机的规格主要有几个方面：转速、转矩、电压、尺寸、重量、材料等。我们在 做舵机的选型时要对以上几个方面进行综合考虑。转速转速由舵机无负载的情况下转过 60角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在 0.ll/600.21S/60 之间。转矩舵机扭矩的单位是KGCM,这是一个扭矩单位。可以理解为在舵盘上距舵机轴 中心水平距离1CM处，舵机能够带动的物体重量。
8、ouo2Kg舵机扭矩二n Kg.cm 电压厂商提供的速度、转矩数据和测试电压有关，在4.8V和6V两种测试电压下这两 个参数有比较大的差别。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。舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。当 然，有的舵机可以在7V以上工作，比如12V的舵机也不少。较高的电压可以提 高电机的速度和扭矩。选择舵机还需要看我们的控制卡所能提供的电压。尺寸、重量和材质舵机的功率（速
9、度X转矩）和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一 般同样品牌的舵机，功率密度大的价格高。塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿，金属齿轮的舵机则可 能会电机过热损毁或外壳变形。所以材质的选择并没有绝对的倾向，关键是将舵 机使用在设计规格之内。用户一般都对金属制的物品比较信赖，齿轮箱期望选择全金属的，舵盘期望选择 金属舵盘。但需要注意的是，金属齿轮箱在长时间过载下也不会损毁，最后确是电机过 热损坏或外壳变形，而这样的损坏是致命的，不可修复的。塑料出轴的舵机如果 使用金属舵盘是很危险的，舵盘和舵机轴在相互扭转过程中，金属舵盘不会磨损， 舵机轴会在一段时间后变得光秃，导致舵机完全
10、不能使用。综上，选择舵机需要在计算自己所需扭矩和速度，并确定使用电压的条件下，选 择有 150%左右甚至更大扭矩富余的舵机。三、模拟舵机及其控制原理舵机是一个微型的伺服控制系统，具体的控制原理可以用下图表示：比例电压比例 电做器工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，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。模拟舵机需要一个外部控制器（遥控器的接收机）产生脉宽调制信号来告诉舵机 转动角度，脉冲宽度是舵机控制器
11、所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期20ms, 脉宽从0.5ms-2.5ms,分别对应-90度到+90度的位置。如下图所示：需要解释的是舵机原来主要用在飞机、汽车、船只模型上，作为方向舵的调节和 控制装置。所以，一般的转动范围是45、60或者90，这时候脉冲宽度一 般只有1ms-2ms之间。而后舵机开始在机器人上得到大幅度的运用，转动的角度 也在根据机器人关节的需要增加到-90度至90度之间，脉冲宽度也随之有了变 化。对于控制脉冲有的书上讲的是PPM（脉位调制信号），有的定义为PWM （脉宽调制 信号）。准确的讲应该叫什么笔者也没有确定的答案，请恕我才疏学浅。对与模 型遥控器，发射机到接收机之间
12、的信号编码方式是PPM （也有PCM）方式，当然， 这个信号的编码传输过程不是接收机到舵机之间，切不可混淆。对于PPM、PCM 在调制信号上面的区别可以看现代无线通讯。对与机器人控制而言，我们一般通过单片机产生PWM信号控制舵机，所以下面对 于舵机的控制脉冲都称为PWM信号（一家直言，如若觉得不准确可以来信讨论）。如果你是爱好者，只是想了解舵机，对于它的控制原理了解到这就可，下面我们 将对模拟舵机的具体电路进行分析，需要读者具有初步的模电、数电常识。我们在网上可以很容易找到Futaba 3003的电路图，如图4.3所示。PWM由接收 通道进入信号解调电路BA6688的12脚，这是周期20ms，
13、脉宽0.5ms-2.5ms之 间的PWM信号。该PWM信号和内部以5K电位器实际电压为基准的脉冲进行比较, 得到的脉冲进行展宽后给 H 桥， H 桥根据展宽后的脉冲信号驱动电机。解调后的 直流偏置电压和通过电位器得到反馈电压进行比较得到电压差，BA66898根据该 电压差通过3脚输送的PWM信号给电机驱动电路BAL6686驱动电机正反转，同时 电机转动带动电位器转动，导致比较后的电压差变化，直到电压差为0，电机停 止。查下H-Bridge的驱动信号是脉冲还是什么。测一下，这个脉冲和电机转动的关 系。-1SKruite;irF鼻 4wv13KVWFutaba 53003Circuit Chang
14、esBA6GB3眸弓仲xnhBRe+erenee wetl*pePidM 34rwt EhrServo Control4.HjEurOHM Ip*BAL66S6 H-BridgcRIIM11toR4GN)6BAGND3皿|2丄NOP&S88LBAL6686GND叠加在5K的电位器反馈电压之上的还有一个Motor Back EMF,意思是电机反向 电动势。根据电磁感应定律，无论作为电动机还是作为发电机运行，电枢都会产 生感应电动势。发电机中的感应产生的电动势就称为感应电动势,电动机的感应 电动势一般称为反电动势。电动机的感应电动势会和转速成比例变化。通过搭建 桥式伺服电路,可以或许电动机的反电动
15、势,通过和给定的基准电压进行比较, 可以实现简单的速度换控制。3003 用这样的方式来进行速度伺服控制,保证舵 机的最高速度稳定。而电位器只是进行点位控制,做简单的位置闭环。Futaba之外的其它厂家使用的不是BA6688这款IC, 一般选择M51660、AA5188、 YT5166这些芯片一般没有EMF控制。控制电路驱动电机的也是利用 PWM 脉冲，不过此脉冲非彼脉冲，此脉冲占空比是0-100%，周期20ms。控制电路通过占空比进行调速，通过正反脉冲进行调向。 具体可以看直流电动机控制方面的书籍。数字舵机从根本上颠覆了舵机的控制系统设计。数字和模拟舵机相比在两个方面 有明显的优点。 1、防抖。 2、响应速度快。模拟舵机由于使用模拟器件搭建的控制电路，电路的反馈和位置伺服是基于电位 器的比例调节方式。电位器由于线性度的影响，精度的影响，个体差异性的问题， 会导致控制匹配不了比例电压，比如我期望得到2.5V的电压位置，但第一次得 到的是2.3V，经过1个调节周期后，电位器转过的位置已经是2.6V 了，这样控 制电路就会给电机一个方向脉冲调节，电机往回转，又转过头，然后
