机器人应用中舵机工作原理

舵机也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用机器人的各类关节运动，以及用在智能小车上以实现转向，如图1 、图2 所示。

图1 舵机用于机器人

图2 舵机用于智能小车中

舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分，图3为舵机的外形图。

图3 舵机外形图

舵机的组成

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、直流电机、控制电路等，如图4、图5所示。

图4 舵机的组成示意图

图5 舵机组成

舵机的输入线共有三条，如图6所示，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。

图6 舵机的输出线

舵机工作原理

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转动的方向和速度，从而达到目标停止。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。

舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0-180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，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位置上如图7所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。

图7 舵机输出转角与输入脉冲的关系

舵机选购

市场上的舵机有塑料齿、金属齿、小尺寸、标准尺寸、大尺寸，另外还有薄的标准尺寸舵机，及低重心的型号。小舵机一般称为微型舵机，扭力都比较小，市面上2.5g，3.7g，4.4g，7g，9g等舵机指的是舵机的重量分别是多少克，体积和扭力也是逐渐增大。微型舵机内部多数都是塑料齿，9g舵机有金属齿的型号，扭力也比塑料齿的要大些。futaba S3003，辉盛 MG995是标准舵机，体积差不多，但前者是塑料齿，后者金属齿，两者标称的扭力也差很多。春天sr403p，Dynamixel AX-12+是机器人专用舵机，不同的是前者是国产，后者是韩国产，两者都是金属齿标称扭力13kg以上，但前者只是改改样子的模拟舵机，后者则是RS485串口通信，具有位置反馈，而且还具有速度反馈与温度反馈功能的数字舵机，两者在性能和价格上相差很大。

除了体积，外形和扭力的不同选择，舵机的反应速度和虚位也要考虑，一般舵机的标称反应速度常见0.22 秒/60°，0.18 秒/60°，好些的舵机有0.12 秒/60°等的，数值小反应就快。

厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(mm)、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的性能，例如 Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg/cm、速度为 0.22 秒/60°，在 6.0V 时扭力为 5.2kg/cm、速度为 0.18 秒/60° 。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。速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的电池，能提供稳定且充裕的。

现在市面上的舵机鱼龙混杂，总体来说仿品不如正品，便宜的不如贵的，塑料齿的不如金属齿的，老的不如新的，国内的不如外国的等等，大家不必过于追求极致，根据自身购买力选择够用的就行。

舵机使用中应注意的事项

1)、常用舵机的额定工作电压为6V，可以使用LM1117等芯片提供6V的电压，如果为了简化硬件上的设计直接使用5V的供电影响也不是很大，但最好和单片机进行分开供电，否则会造成单片机无法正常工作。

2)、一般来说可以将来信号线连接至单片机的任意引脚，对于51单片机需通过定时器模块出PWM才能进行控制。但是如果连接像飞思卡尔之类的芯片，由于飞思卡尔内部带有PWM模块，可以直接输出PWM信号，此时应将来信号连于专用的PWM输出引脚上。

编辑：黄飞