舵機：執(zhí)行器之王,；一起了解一下機器人制作必備的神器

chzhmichzhmi 2021-05-21

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創(chuàng)客領域中,，舵機是最常用的執(zhí)行器之一。舵機（英文：Servo）是一種伺服電機,，能夠旋轉(zhuǎn)固定的角度,，固定的位置。它是由直流電機,、減速齒輪組,、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號,，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度,。舵機一般只能旋轉(zhuǎn)180度，當然也有360度,，與普通直流電機的區(qū)別主要在于,，直流電機是一圈圈轉(zhuǎn)動的，舵機只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動,，不能一圈圈連續(xù)轉(zhuǎn),。普通直流電機無法反饋轉(zhuǎn)動的角度信息，而舵機可以,。因此,，舵機適用于那些需要角度不斷變化并可以保持穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，比如人形機器人的手臂和腿,，車模和航模的方向控制,。舵機的控制信號實際上是一個脈沖寬度調(diào)制信號( PWM信號)，該信號可由FP-GA器件,、模擬電路或單片機產(chǎn)生,。

舵機和機械手臂

舵機的結(jié)構(gòu)和原理：

舵機主要由以下幾個部分組成：舵盤,、減速齒輪組,、位置反饋電位計、直流電機,、控制電路等,。

舵機中有一個電位計（角度傳感器）可以檢測輸出軸轉(zhuǎn)動角度?？刂齐娐钒褰邮軄碜孕盘柧€的控制信號,，控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組,，減速后傳動至輸出舵盤,。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時,，帶動位置反饋電位計,，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋,，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機轉(zhuǎn)動的方向和速度,，從而達到目標停止。

工作流程為：

控制信號→控制電路板→電機轉(zhuǎn)動→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動→位置反饋電位計→控制電路板反饋,。

舵機的接線

舵機采用上線接線法,。電源線（+5V，紅色）,，地線（GND棕色）和PWM控制線（黃色）,。

舵機的控制

舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖,，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍,，總間隔為2ms。脈沖的寬度將決定馬達轉(zhuǎn)動的距離,。例如：1.5毫秒的脈沖,，電機將轉(zhuǎn)向90度的位置（通常稱為中立位置，對于180°舵機來說,，就是90°位置）,。如果脈沖寬度小于1.5毫秒，那么電機軸向朝向0度方向,。如果脈沖寬度大于1.5毫秒,，軸向就朝向180度方向。以180度舵機為例,，對應的控制關系是這樣的：

0.5ms--------------0度,；
1.0ms------------45度；
1.5ms------------90度,；
2.0ms-----------135度,；
2.5ms-----------180度；

Arduino驅(qū)動舵機實驗

下面我們就用Arduino UNO驅(qū)動一個舵機,，每隔一段時間旋轉(zhuǎn)固定角度,。

硬件設備：

Arduino UNO控制器 × 1
9g舵機 × 1
電源 × 1

接線：

舵機電流較大，建議單獨5V供電,，信號線接Arduino UNO 數(shù)字3引腳,，舵機和單片機共地,。

程序：

Arduino有專門驅(qū)動舵機的庫Servo.h,，導入后就可以輕松驅(qū)動舵機了。

#include <Servo.h>Servo myservo;  // 創(chuàng)建舵機int deg = 30;   //設定角度值void setup(){   myservo.attach(3);  // 舵機1接口3   myservo.write(deg);  // 初始角度}void loop() {  deg = 50;  myservo.write(deg);  // 旋轉(zhuǎn)到50度  delay(1000);            // 延遲i秒    deg = 110;  myservo.write(deg);   // 旋轉(zhuǎn)到110度  delay(1000);       // 延遲i秒                }

舵機的選擇

數(shù)字舵機和模擬舵機：

兩者在基本機械結(jié)構(gòu)方面是完全一樣的,，主要由馬達,、減速齒輪、控制電路等組成,，而數(shù)字舵機和模擬舵機的最大區(qū)別則體現(xiàn)在控制電路上：

數(shù)字舵機的控制電路比模擬舵機多了微處理器和晶振,。不要小看這一點改變，它對提高舵機的性能有著決定性的影響,。數(shù)字舵機與模擬舵機的不同主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1.處理接收機的輸入信號的方式,，數(shù)字舵機只需發(fā)送1次PWM信號就能保持在規(guī)定的某個位置，而模擬舵機是需要多次發(fā)送PWM信號才能夠保持在規(guī)定的位置上,，實現(xiàn)對舵機的控制,，按照規(guī)定的要求進行的速度進行轉(zhuǎn)動。

2.控制舵機馬達初始電流的方式,，數(shù)字舵機減少無反應區(qū)(對小量信號無反應的控制區(qū)域),，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量。

模擬舵機的1個“缺點”

假設一個短促的動力脈沖,，緊接著很長的停頓,，并不能給馬達施加多少激勵，使其轉(zhuǎn)動,。這意味著如果有一個比較小的控制動作,，舵機就會發(fā)送很小的初始脈沖到馬達，這是非常低效率的,。這也是為什么模擬舵機有“無反應區(qū)”的存在,。比如說，舵機對于發(fā)射機的細小動作,，反應非常遲鈍,，或者根本就沒有反應。

數(shù)字舵機的2個“優(yōu)勢”

1,、數(shù)字舵機是新型時代出現(xiàn)的舵機,，因此數(shù)字在反應速度方面與模擬舵機相比是有優(yōu)勢的。因為微處理器的關系,，數(shù)字舵機可以在將動力脈沖發(fā)送到舵機馬達之前,，對輸入的信號根據(jù)設定的參數(shù)進行處理,。這意味著動力脈沖的寬度，就是說激勵馬達的動力,，可以根據(jù)微處理器的程序運算而調(diào)整,，以適應不同的功能要求，并優(yōu)化舵機的性能,。

2,、數(shù)字舵機以高得多的頻率向馬達發(fā)送動力脈沖。就是說,，相對于傳統(tǒng)的50脈沖/秒,，現(xiàn)在是300脈沖/秒。雖然,，因為頻率高的關系,，每個動力脈沖的寬度被減小了，但馬達在同一時間里收到更多的激勵信號,，并轉(zhuǎn)動得更快,。這也意味著不僅僅舵機馬達以更高的頻率響應發(fā)射機的信號，而且“無反應區(qū)”變??；反應變得更快；加速和減速時也更迅速,、更柔和,；數(shù)字舵機能提供更高的精度和更好的固定力量。

常用的舵機：

SG90 9g舵機：