舵机基本原理与使用方法

zeng119

第一：舵机基本简介

    在电子开发过程中，舵机是比较常用的电子元器件，价格也比较便宜，非常好找。金属齿要比塑料齿要贵些，数字舵机比模拟舵机要贵些。
7 Q% I# n# u' t7 B; o




8 U; N* m# m+ \  M# S! `0 t第二：舵机的作用
      在机器人电控系统中，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对接。
/ m$ h7 c" T& `  X
; T& N# t/ I) r$ r: E
, G4 H" D1 _' z# Q1 l7 [! X9 U
0 r4 d& B2 {% D9 A3 a" U    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，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。
主要用于需要输出某一控制角度的场合，舵机可以根据控制信号来输出指定的角度，常见的有0-90°、0-180°、0-360°，舵机除了能够输出最大角度不同之外，价格和性能参数没有任何区别（同一型号而言）。
  u: l% Z4 B% G& u. x
9 s$ u1 t) C& Y4 a( V, o7 k$ {
第三：数字舵机和模拟舵机的区别是什么？模拟舵机和数字舵机接口是否通用？
    数字舵机（Digital Servo）和模拟舵机（Analog Servo）在基本的机械结构方面是完全一样的，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成，而数字舵机和模拟舵机的最大区别则体现在控制电路上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的多了微处理器和晶振。不要小看这一点改变，它对提高舵机的性能有着决定性的影响。
①处理接收机的输入信号的方式。
②控制舵机马达初始电流的方式，减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。
③实际应用不同，数字舵机在位置准确度方面要高于模拟舵机。在同样标称1.6公斤的舵机面前数字舵机在实际表现中会感觉更加“力气大”而模拟舵机就会“肉”点。模拟舵机由于控制芯片是模拟电路，所以即便是相同型号的舵机会存在小小的性能差异，而数字舵机在一致性方面就非常好。


; s7 U. m$ s: k2 X* z! `- H第四：舵机的工作原理
2 ]5 E8 g6 O( |, i. l1 {( y. c    舵机主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。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，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，此时由检测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，当电流流经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，于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无极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是空心杯马达。


! [! f. {8 {  o下面咱们针对具体型号，比如SG90模拟舵机和MG90S数字舵机，来看看这两者之间的区别。
8 ]' U! j' X4 s* Y/ X" o* w1 |' i0 O首先，引脚都是兼容的三根线排列一致，分别是GND(棕色)、VCC(红色)、PWM(黄色)，控制方式也是一样的PWM时序，具体对应角度如下：
2 O7 l8 e2 N) w# i. y& ^


    这里要注意，PWM波的频率不能太高，大约50HZ，即周期0.02s，20ms左右，（为了方便大家使用，笔者已经将驱动程序整理好，供大家点击下载舵机驱动程序）
  j1 I# f, [$ E, ^
' V$ `- @: p  _
所以如果要用12C5A60S2的PCA产生PWM波的话输出频率最低只能达到10khz左右，还是太高，无法驱动舵机，因此需要使用定时器来实现。实际波形像下面这样：

  s2 ^1 u& X* C: J5 {) |
/ }  a, {8 G2 w4 A# P, Z


$ E" @* Z) b4 A- w$ j
# s% g. Y  d3 q2 o* g% m为了更加形象地了解pwm波形和输出角度的对应关系，我们来看一张动图，非常形象：
4 q3 e6 G/ X! u6 q% e. l/ T
) R7 M  R4 B) x  N



! I# Q2 G. q* b9 |% h因为要考虑能耗问题，所以关于SG90模拟舵机和MG90S数字舵机工作电流可以分为几种状态。
① 舵机上电，无pwm控制信号
此时舵机不工作，静态电流均为4mA左右，舵机不会自动复位，完全不动作。
# Q$ M: [+ i3 \" I② 舵机上电，有pwm控制信号，舵机工作在输出到指定角度的过程中
此时舵机工作，需要消耗大约300mA的工作电流。
' p$ P& x- Q! x7 V' r③舵机上电，有pwm控制信号，舵机已工作至指定角度
+ U9 A% ?: h% F6 z" ~此时，舵机主要工作是维持指定角度，如果无外力抗拒，则消耗电流较小，SG90大约需要5mA，MG90S大约需要8mA左右。当然如果有外力抗拒的话则输出电流增大以抗拒外力。
5 Q; V& `8 c1 a) Q5 `, j: S
, T$ [8 K( {  F3 i2 T% ~* L
第五：舵机是否需要驱动电路？
一般来讲，舵机不需要特别的驱动电路，因为舵机内部已经有驱动电路了，一般单片机IO口输出的PWM波都可以驱动舵机。下图是12C5A60S2驱动舵机的电路图（p1.2没用到）。
# ?0 W7 g3 T5 F  N( h8 p8 q, _
, t: x! v  S, B5 f

' b+ a; v% ?4 o' p

% r$ o4 i0 V5 l: N7 s6 a第六：舵机代码实现参考

% c% }( e, f6 L4 A( S' S* G" I  C
7 m; d' M3 Z  V# g9 @+ }
$ Y: n+ L- H9 ]' P* A# R  q
5 h- R% K+ L. n( _* W* c* a# n
% e, O- ^7 X' W6 R+ h( z
. T7 I* v; T9 i0 h" f8 b

% Q7 ~9 P  _/ U7 A( K. f
0 ~1 k" e+ n7 k
! E7 b2 c$ w* D4 c( Q3 ^* e
% s2 a! T: l$ _! m9 i5 i! ?" s! R

0 g/ m% m; W' N% q) W* {
" u3 m8 N3 l% g  J5 H0 a4 u
pwm_init(PWM1_P11, 50, 0);    while(1)  {   pwm_duty(PWM1_P11, 250);  //0°    delay_ms(1000);    pwm_duty(PWM1_P11, 500); //45°    delay_ms(1000);      pwm_duty(PWM1_P11, 750); //90°    delay_ms(1000);    pwm_duty(PWM1_P11, 1000); //135°    delay_ms(1000);    pwm_duty(PWM1_P11, 1250); //180°    delay_ms(1000);    }



总结：舵机是常用的传感器器件，一般需要采用一个20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制，总间隔为2ms。多实践，方能走的更远。