舵機(jī)的構(gòu)造和原理

1、舵機(jī)的構(gòu)造和原理2008-06-20 08:50:29 來(lái)源： 作者： 【大 中 小 評(píng)論：0條前言舵機(jī)是遙控模型控制動(dòng)作的動(dòng)力來(lái)源，不同類型的遙控模型所需的舵機(jī)種類也隨之不同。如何審慎地選擇經(jīng)濟(jì)且合乎需求的舵機(jī)，也是一門不可輕忽的學(xué)問(wèn)。本文章主要探討適合各等級(jí)直升機(jī)各工作部位所使用的舵機(jī)，至於其它種類的模型，如飛機(jī)、車、船，則不在本篇文章討論范圍之內(nèi)。舵機(jī)的構(gòu)造舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已到達(dá)定位。位置

2、檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻值也會(huì)跟著改變，測(cè)量電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流過(guò)線圈時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用， 進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。 依據(jù)物理學(xué)原理，物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與質(zhì)量 成正比，因此要轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量愈大的物體，所需的作用力也愈大。舵機(jī)為求轉(zhuǎn)速快、耗電小，於 是將細(xì)銅線纏繞成極薄的中空?qǐng)A柱體，形成一個(gè)重量極輕的五極中空轉(zhuǎn)子，并將磁鐵置於圓柱體內(nèi)，這就是無(wú)核心馬達(dá)。為了適合不同的工作環(huán)境，有防水及防塵設(shè)計(jì)的舵機(jī)。并且因應(yīng)不同的負(fù)載需求，舵機(jī)的齒 輪有塑膠及金屬的區(qū)分。較高級(jí)的舵機(jī)會(huì)裝置滾珠軸承， 使得轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能更輕快精準(zhǔn)。滾珠

3、軸 承有一顆及二顆的區(qū)別，當(dāng)然是二顆的比較好。目前新推出FET舵機(jī)，主要是采用FET(Field Effect Transistor)場(chǎng)效電晶體。FET具有內(nèi)阻低的優(yōu)點(diǎn)，因此電流損耗比一般電晶體少。技術(shù)規(guī)格廠商所提供的舵機(jī)規(guī)格資料，都會(huì)包含外形尺寸（cm）、扭力（kg/cm）、速度（秒/60。）、測(cè)試電壓（V）及重量（g）等基本資料。扭力的單位是 kg-cm，意思是在擺臂長(zhǎng)度1公分處，能吊起 幾公斤重的物體。這就是力臂的觀念，因此擺臂長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，則扭力愈小。速度的單位是sec/60。，意思是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 60。所需要的時(shí)間。電壓會(huì)直接影響舵機(jī)的性能， 例如Futaba S-9001在4.8V時(shí)扭力為

4、3.9kg、速度為0.22秒, 在6.0V時(shí)扭力為5.2kg、速度為0.18秒。若無(wú)特別注明，JR的舵機(jī)都是以4.8V為測(cè)試電 壓，F(xiàn)utaba則是以6.0V作為測(cè)試電壓。所謂天下沒(méi)有白吃的午餐， 速度快、扭力大的舵機(jī)，除了價(jià)格貴，還會(huì)伴隨著高耗電的特點(diǎn)。因此使用高級(jí)的舵機(jī)時(shí)，務(wù)必搭配高品質(zhì)、高容量的鎳鎘電池，能提供穩(wěn)定且充裕的電流， 才可發(fā)揮舵機(jī)應(yīng)有的性能。選擇舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的直升機(jī)需搭配 5顆舵機(jī)，分別控制油門、副翼、升降舵、螺距及尾舵。油門油門是所有動(dòng)作中負(fù)載最輕的部位，且負(fù)載不會(huì)受到外在因素的影響而改變，所以選擇油門舵機(jī)時(shí)，扭力不是問(wèn)題（1kg就綽綽有馀），速度才是關(guān)鍵。因?yàn)橹鄙龣C(jī)的油門與螺

5、距作混控， 故油門與螺距舵機(jī)的速度最好要一致，才不會(huì)發(fā)生螺距舵機(jī)已到達(dá)定位，油門舵機(jī)卻姍姍來(lái)遲的情況。尤其作劇烈的 3D飛行時(shí)，油門與螺距的變化量極大，若油門與螺距舵機(jī)的速度 不協(xié)調(diào)，會(huì)發(fā)生馬力延遲的狀況。油門舵機(jī)的速度并不是愈快愈好，因?yàn)檫€要考慮引擎的反應(yīng)時(shí)間。引擎必須經(jīng)過(guò)吸氣、壓縮、爆炸、排氣這一連串的步驟， 尤其直升機(jī)用的引擎并不屬於高轉(zhuǎn)速型，因此舵機(jī)的速度如果太快，就會(huì)產(chǎn)生引擎運(yùn)轉(zhuǎn)速度跟不上舵機(jī)的動(dòng)作，進(jìn)而出現(xiàn)油氣混合比不適當(dāng)?shù)臓顩r。建議采用速度為0.190.24秒的舵機(jī)。副翼及升降舵30級(jí)及46級(jí)的直升機(jī)選擇扭力 3kg以上的舵機(jī)，60級(jí)的直升機(jī)則選擇扭力 5kg以上的舵 機(jī)。副翼及

6、升降舵的反應(yīng)速度，主要是由主旋翼轉(zhuǎn)速及平衡翼片的重量所控制，與舵機(jī)的速度快慢，較無(wú)明顯且直接的關(guān)聯(lián)，所以不需使用太快的舵機(jī)。建議采用速度為0.200.26秒的舵機(jī)。螺距直升機(jī)的主旋翼螺距是出了名的重負(fù)載，因此螺距舵機(jī)的扭力一定要夠，最好能選擇扭力5kg以上的舵機(jī)。建議采用速度為0.190.24秒的舵機(jī)。尾舵尾舵舵機(jī)的扭力不需太大，3kg就已經(jīng)足夠了。請(qǐng)依據(jù)您所使用的陀螺儀等級(jí)來(lái)搭配尾舵舵 機(jī)。機(jī)械式陀螺儀因?yàn)榉磻?yīng)速度較慢，因此無(wú)需使用高速舵機(jī)。壓電式陀螺儀需搭配高速舵機(jī)，才能發(fā)揮陀螺儀的性能。高級(jí)的陀螺儀都會(huì)指明建議使用的舵機(jī)，例如JR 5000T陀螺儀建議搭配NES-8700G舵機(jī)，F(xiàn)uta

7、ba GY-501陀螺儀建議搭配 S-9205舵機(jī)。若您使用的壓 電式陀螺儀并無(wú)特別指明舵機(jī)的類型，建議您購(gòu)買速度愈快的舵機(jī)愈好。如何以最經(jīng)濟(jì)的方式購(gòu)買合用的舵機(jī)，請(qǐng)叁考下列步驟：1. 先決定螺距舵機(jī)，選擇扭力5kg以上的舵機(jī)，再依據(jù)預(yù)算的多寡決定舵機(jī)的速度。2. 依照螺距舵機(jī)的速度，選擇同速度但扭力小的舵機(jī)，作為油門舵機(jī)。3. 依據(jù)直升機(jī)的級(jí)數(shù)大小，選擇扭力為3kg或5kg以上，速度為0.200.26秒的舵機(jī)，作為副翼及升降舵舵機(jī)。4. 依據(jù)陀螺儀的等級(jí)來(lái)決定尾舵舵機(jī)的速度，愈高級(jí)的陀螺儀才需使用高級(jí)的舵機(jī)。若您使用CCPM的直升機(jī)，因?yàn)槭怯筛币?、升降舵及螺距舵機(jī)采混控的方式共同來(lái)推動(dòng)十字

8、盤，所以這三個(gè)動(dòng)作要選擇同型號(hào)的舵機(jī)。CCPM的優(yōu)點(diǎn)是連桿數(shù)少、傳動(dòng)直接、虛位小，并且可減輕舵機(jī)的負(fù)荷，延長(zhǎng)舵機(jī)的使用壽命。愛(ài)惜您的舵機(jī)一般說(shuō)來(lái)舵機(jī)并不需要特別的保養(yǎng)，只要注意下列重點(diǎn)，就可使您的舵機(jī)長(zhǎng)命百歲。直升機(jī)的機(jī)械可動(dòng)部份，不可小於舵機(jī)的行程活動(dòng)范圍。不要隨意改變電源電壓，例如接收機(jī)用4.8V，請(qǐng)勿為了提升舵機(jī)的性能而改用6.0V。機(jī)的相關(guān)原理與控制原理什么是舵機(jī)：在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并

9、可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。還是看看具體的實(shí)物比較過(guò)癮一點(diǎn):2. 其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms,寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就象我們使用晶體管一樣，知

10、道可以拿它來(lái)做開(kāi)關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動(dòng)是可以完全不用 去考慮的。3.舵機(jī)的控制：舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：0.5ms0 度;1.0ms45度;1.5ms90度;2.0ms135度;2.5ms180度;這只是一種參考數(shù)值，具體的參數(shù)，請(qǐng)參見(jiàn)舵機(jī)的技術(shù)參數(shù)。小型舵機(jī)的工作電壓一般為4.8V或6V，轉(zhuǎn)速也不是很快，一般為 0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時(shí)，舵機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)。如果需要更快速的反應(yīng)

11、，就需要更高的轉(zhuǎn)速了。要精確的控制舵機(jī)，其實(shí)沒(méi)有那么容易，很多舵機(jī)的位置等級(jí)有 1024 個(gè)，那么，如果舵機(jī) 的有效角度范圍為 180 度的話，其控制的角度精度是可以達(dá)到180/1024 度約 0.18 度了，從時(shí)間上看其實(shí)要求的脈寬控制精度為2000/1024US約2us。如果你拿了個(gè)舵機(jī)，連控制精度為 1 度都達(dá)不到的話，而且還看到舵機(jī)在發(fā)抖。在這種情況下，只要舵機(jī)的電壓沒(méi)有抖動(dòng)， 那抖動(dòng)的就是你的控制脈沖了。而這個(gè)脈沖為什么會(huì)抖動(dòng)呢？當(dāng)然和你選用的脈沖發(fā)生器 有關(guān)了。一些前輩喜歡用 555 來(lái)調(diào)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖，如果只是控制幾個(gè)點(diǎn)位置伺服好像是 可以這么做的，可以多用幾個(gè)開(kāi)關(guān)引些電阻出來(lái)調(diào)

12、占空比，這么做簡(jiǎn)單嗎，應(yīng)該不會(huì)啦， 調(diào)試應(yīng)該是非常麻煩而且運(yùn)行也不一定可靠的。其實(shí)主要還是他那個(gè)年代，單片機(jī)這東西 不流行呀，哪里會(huì)喲！使用傳統(tǒng)單片機(jī)控制舵機(jī)的方案也有很多，多是利用定時(shí)器和中斷的方式來(lái)完成控制的， 這樣的方式控制 1 個(gè)舵機(jī)還是相當(dāng)有效的，但是隨著舵機(jī)數(shù)量的增加，也許控制起來(lái)就沒(méi) 有那么方便而且可以達(dá)到約 2 微秒的脈寬控制精度了。聽(tīng)說(shuō) AVR 也有控制 32個(gè)舵機(jī)的試 驗(yàn)板，不過(guò)精度能不能達(dá)到 2 微秒可能還是要泰克才知道了。其實(shí)測(cè)試起來(lái)很簡(jiǎn)單，你只 需要將其控制信號(hào)與示波器連接，然后讓試驗(yàn)板輸出的舵機(jī)控制信號(hào)以2微秒的寬度遞增。為什么FPPA就可以很方便地將脈寬的精度精確

13、地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。主要還是 delay memory 這樣的具有創(chuàng)造性的指令發(fā)揮了功效。該指令的延時(shí)時(shí)間為數(shù)據(jù)單元 中的立即數(shù)的值加1個(gè)指令周期（數(shù)據(jù)0出外，詳情請(qǐng)參見(jiàn)delay指令使用注意事項(xiàng)）因?yàn)?是8位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所以memory中的數(shù)據(jù)為（0255）,記得前面有提過(guò)，舵機(jī)的角度級(jí)數(shù)一般為 1024級(jí)，所以只用一個(gè)存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)延時(shí)參數(shù)好像還不夠用的，所以我們 可以采用 2 個(gè)內(nèi)存單元來(lái)存放舵機(jī)的角度伺服參數(shù)了。所以這樣一來(lái),我們可以采用這樣的軟件結(jié)構(gòu)了：舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合：1.高檔遙控仿真車，至少得包括左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)功能，高精度的角度控制，必然給你最真實(shí)的駕車體驗(yàn)2.多自

14、由度機(jī)器人設(shè)計(jì)，為什么日本人設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以上萬(wàn)RMB的出售,而國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的一些兩三千塊也賣不出去呢，還是一個(gè)品質(zhì)的問(wèn)題3.多路伺服航?？刂?，電動(dòng)遙控飛機(jī)，油動(dòng)遙控飛機(jī)，航海模型等程序原理可以是這樣的:/據(jù)存放空間，相信8位機(jī)中一次操作個(gè)16位數(shù)據(jù)也是首見(jiàn)吧setl s_motorO_drvcall pwm_delaysetO s_motor0_drvpushw pwmlpopw pwmtempsetl s_motor1_drvcall pwm_delaysetO s_motor1_drv按這樣寫(xiě)下去，一路PC寫(xiě)7個(gè)這樣的伺服也一點(diǎn)不緊張的，因?yàn)镻WM的周期是20毫秒,而最大脈寬才2.5毫秒，7

15、*2.5 = 17.5毫秒。寫(xiě)完了所有的脈沖后又做什么，跳回再等待下一個(gè)20毫秒有效的信號(hào)量。而20毫秒的信號(hào)量從哪里來(lái)，因?yàn)槎嗪诵?，?dāng)然可以隨便拿個(gè)工作頻率低點(diǎn)的 CPU來(lái)產(chǎn)生啦。這樣一來(lái)，一顆14PIN 的FPPA ,PDK80C02-SOP14就可以通過(guò)無(wú)線或者紅外來(lái)精確控制7路舵機(jī)。本帖最后由 zhlu8866于2008-6-10 17:20 編輯什么是舵機(jī)：在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系 統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接 口。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可

16、以保持的控制 系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得 比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。還是看看具體的實(shí)物比較過(guò)癮一點(diǎn)：2.其工作原理是:控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路， 產(chǎn)生周期為20ms,寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較， 獲得電壓差輸出。 最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。 就象我們使用晶體管

17、一樣，知道可以拿它來(lái)做開(kāi)關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動(dòng)是可以完全不用去考慮的。3.舵機(jī)的控制：舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：0.5ms0度;1.0ms45度;1.5ms90度;2.0ms135 度；2.5ms180 度；請(qǐng)看下形象描述吧 :這只是一種參考數(shù)值，具體的參數(shù)，請(qǐng)參見(jiàn)舵機(jī)的技術(shù)參數(shù)。小型舵機(jī)的工作電壓一般為 4.8V 或 6V ，轉(zhuǎn)速也不是很快，一般為0.22/60 度或 0.18/60度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時(shí)，

18、舵機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)。 如果需要更快速的 反應(yīng)，就需要更高的轉(zhuǎn)速了。要精確的控制舵機(jī)，其實(shí)沒(méi)有那么容易，很多舵機(jī)的位置等級(jí)有 1024 個(gè)，那么，如果舵機(jī) 的有效角度范圍為 180 度的話，其控制的角度精度是可以達(dá)到180/1024 度約 0.18 度了，從時(shí)間上看其實(shí)要求的脈寬控制精度為2000/1024US約2us。如果你拿了個(gè)舵機(jī)，連控制精度為1度都達(dá)不到的話，而且還看到舵機(jī)在發(fā)抖。在這種情況下，只要舵機(jī)的電壓沒(méi)有抖動(dòng)， 那抖動(dòng)的就是你的控制脈沖了。 而這個(gè)脈沖為什么會(huì)抖動(dòng)呢？當(dāng)然和你選用的脈沖發(fā)生器有 關(guān)了。一些前輩喜歡用 555 來(lái)調(diào)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖， 如果只是控制幾個(gè)點(diǎn)位置伺服好像是可以 這么做的， 可以多用幾個(gè)開(kāi)關(guān)引些電阻出來(lái)調(diào)占空比，這么做簡(jiǎn)單嗎，應(yīng)該不會(huì)啦，調(diào)試應(yīng)該是非常麻煩而且運(yùn)行也不一定可靠的。 其實(shí)主要還是他那個(gè)年代， 單片機(jī)這東西不流行呀， 哪里會(huì)喲！使用傳統(tǒng)單片機(jī)控制舵機(jī)的方案也有很多， 多是利用定時(shí)器和中斷的方式來(lái)完成控