舵機基礎知識

1、舵機基礎知識：最近幾年國內機器人開始起步發(fā)展，很多高校、中小學都開始進行機器人技術教學。小型的機器人、模塊化的機器人、組件式的機器人是教學機器人的首選。在這些機器人產品中，舵機是最關鍵，使用最多的部件。 根據控制方式，舵機應該稱為微型伺服馬達。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗稱舵機。舵機接受一個簡單的控制指令就可以自動轉動到一個比較精確的角度，所以非常適合在關節(jié)型機器人產品使用。仿人型機器人就是舵機運用的最高境界。一、 舵機的結構 舵機簡單的說就是集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信

2、號比較精確的轉動給定角度的電機系統(tǒng)。 舵機安裝了一個電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉動角度，控制板根據電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機更準確的說是伺服馬達，英文servo。 舵機的主體結構如下圖所示，主要有幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。簡單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅動電機轉動；齒輪組將電機的速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持

3、在目標角度。 舵機的外殼一般是塑料的，特殊的舵機可能會有金屬鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機內的電機運行在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。金屬外殼也可以提供更牢固的固定位齒輪箱有塑料齒輪、混合齒輪、金屬齒輪的差別。塑料齒輪成本底，噪音小，但強度較低；金屬齒輪強度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會有很大的噪音。小扭矩舵機、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機一般都用塑料齒輪，如Futaba 3003，輝盛的9g微舵。金屬齒輪一般用于功率密度較高的舵機上，比如輝盛的995舵機，在和3003一樣體積的情況下卻能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用鈦合金作為齒輪材

4、料，其高強度能保證3003大小的舵機能提供20幾公斤的扭矩。混合齒輪在金屬齒輪和塑料齒輪間做了折中，在電機輸出齒輪上扭矩一般不大，用塑料齒輪。 二、 舵機的規(guī)格和選型 當今使用的舵機有模擬舵機和數字舵機之分（具體差別見第    節(jié)），不過數字舵機還是相對較少。下面的技術規(guī)格同時適用與兩種舵機。 舵機的規(guī)格主要有幾個方面：轉速、轉矩、電壓、尺寸、重量 、材料等。我們在做舵機的選型時要對以上幾個方面進行綜合考慮。 z 轉速 轉速由舵機無負載的情況下轉過60°角所需時間來

5、衡量，常見舵機的速度一般在0.11/60°0.21S/60°之間。 轉矩 舵機扭矩的單位是KG·CM，這是一個扭矩單位?？梢岳斫鉃樵诙姹P上距舵機軸中心水平距離1CM處，舵機能夠帶動的物體重量。電壓 廠商提供的速度、轉矩數據和測試電壓有關，在4.8V和6V兩種測試電壓下這兩個參數有比較大的差別。如Futaba S-9001 在 4.8V 時扭力為 3.9kg、速度為 0.22 秒，在 6.0V 時扭力為 5.2kg、速度為 0.

6、18 秒。若無特別注明，JR 的舵機都是以 4.8V 為測試電壓，F(xiàn)utaba則是以 6.0V 作為測試電壓。 舵機的工作電壓對性能有重大的影響，舵機推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當然，有的舵機可以在7V以上工作，比如12V的舵機也不少。較高的電壓可以提高電機的速度和扭矩。選擇舵機還需要看我們的控制卡所能提供的電壓。 z 尺寸、重量和材質 舵機的功率（速度×轉矩）和舵機的尺寸比值可以理解為該舵機的功率密度，一般同樣品牌的舵機，功率密度大的價格高。 塑料齒輪的舵機在超出極限

7、負荷的條件下使用可能會崩齒，金屬齒輪的舵機則可能會電機過熱損毀或外殼變形。所以材質的選擇并沒有絕對的傾向，關鍵是將舵機使用在設計規(guī)格之內。 用戶一般都對金屬制的物品比較信賴，齒輪箱期望選擇全金屬的，舵盤期望選擇金屬舵盤。但需要注意的是，金屬齒輪箱在長時間過載下也不會損毀，最后確是電機過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復的。塑料出軸的舵機如果使用金屬舵盤是很危險的，舵盤和舵機軸在相互扭轉過程中，金屬舵盤不會磨損，舵機軸會在一段時間后變得光禿，導致舵機完全不能使用。 綜上，選擇舵機需要在計算自己所需扭矩和速度，并確定使用電壓的條件下，選擇有150%左右甚至更大扭矩

8、富余的舵機。 三、 模擬舵機及其控制原理 舵機是一個微型的伺服控制系統(tǒng)，具體的控制原理可以用下圖表示工作原理是控制電路接收信號源的控制脈沖，并驅動電機轉動；齒輪組將電機的速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度。 模擬舵機需要一個外部控制器（遙控器的接收機）產生脈寬調制信號來告訴舵機轉動角度，脈沖寬度是舵機控制器所需的編碼信息。舵機的控制脈沖周期20ms，寬從，分別對應-90度到+90度的位置。如下圖所示

9、：需要解釋的是舵機原來主要用在飛機、汽車、船只模型上，作為方向舵的調節(jié)和控制裝置。所以，一般的轉動范圍是45°、60°或者90°，這時候脈沖寬度一般只有1ms-2ms之間。而后舵機開始在機器人上得到大幅度的運用，轉動的角度也在根據機器人關節(jié)的需要增加到-90度至90度之間，脈沖寬度也隨之有了變化。 對于控制脈沖有的書上講的是PPM(脈位調制信號)，有的定義為PWM（脈寬調制信號）。準確的講應該叫什么筆者也沒有確定的答案，請恕我才疏學淺。對與模型遙控器，發(fā)射機到接收機之間的信號編碼方式是PPM（也有PCM）方式，當然，這個信號的編碼傳輸過程不是接收機到舵機之間，切不

10、可混淆。對于PPM、PCM在調制信號上面的區(qū)別可以看現(xiàn)代無線通訊。 對與機器人控制而言，我們一般通過單片機產生PWM信號控制舵機，所以下面對于舵機的控制脈沖都稱為PWM信號（一家直言，如若覺得不準確可以來信討論）。 如果你是愛好者，只是想了解舵機，對于它的控制原理了解到這就可，下面我們將對模擬舵機的具體電路進行分析，需要讀者具有初步的模電、數電常識。 我們在網上可以很容易找到Futaba 3003的電路圖，如圖4.3所示。PWM由接收通道進入信號解調電路BA6688的12腳，這是周期20ms，脈寬0.5ms-2.5ms之間的PWM信號。該PWM信號和內部

11、以5K電位器實際電壓為基準的脈沖進行比較，得到的脈沖進行展寬后給H橋，H橋根據展寬后的脈沖信號驅動電機。解調后的直流偏置電壓和通過電位器得到反饋電壓進行比較得到電壓差，BA66898根據該電壓差通過3腳輸送的PWM信號給電機驅動電路BAL6686驅動電機正反轉，同時電機轉動帶動電位器轉動，導致比較后的電壓差變化，直到電壓差為0，電機停止。 查下H-Bridge的驅動信號是脈沖還是什么。測一下，這個脈沖和電機轉動的關系。疊加在5K的電位器反饋電壓之上的還有一個Motor Back EMF，意思是電機反向電動勢。根據電磁感應定律，無論作為電動機還是作為發(fā)電機運行，電樞都會產生感

12、應電動勢。發(fā)電機中的感應產生的電動勢就稱為感應電動勢，電動機的感應電動勢一般稱為反電動勢。電動機的感應電動勢會和轉速成比例變化。通過搭建橋式伺服電路，可以或許電動機的反電動勢，通過和給定的基準電壓進行比較，可以實現(xiàn)簡單的速度換控制。3003用這樣的方式來進行速度伺服控制，保證舵機的最高速度穩(wěn)定。而電位器只是進行點位控制，做簡單的位置閉環(huán)。 Futaba之外的其它廠家使用的不是BA6688這款IC，一般選擇M51660、AA5188、YT5166這些芯片一般沒有EMF控制。 控制電路驅動電機的也是利用PWM脈沖，不過此脈沖非彼脈沖，此脈沖占空比是0-100%，周期20ms。控制電路通過

13、占空比進行調速，通過正反脈沖進行調向。具體可以看直流電動機控制方面的書籍。 四、 數字舵機及其控制原理 數字舵機從根本上顛覆了舵機的控制系統(tǒng)設計。數字和模擬舵機相比在兩個方面有明顯的優(yōu)點。1、防抖。2、響應速度快。模擬舵機由于使用模擬器件搭建的控制電路，電路的反饋和位置伺服是基于電位器的比例調節(jié)方式。電位器由于線性度的影響，精度的影響，個體差異性的問題，會導致控制匹配不了比例電壓，比如我期望得到2.5V的電壓位置，但第一次得到的是2.3V，經過1個調節(jié)周期后，電位器轉過的位置已經是2.6V了，這樣控制電路就會給電機一個方向脈沖調節(jié)，電機往回轉，又轉過頭，然后有向前

14、調節(jié)，以至于出現(xiàn)不停的震蕩，這就是我們所看到的抖舵現(xiàn)象。我們購買一批舵機會發(fā)現(xiàn)有的很好用，有的在空載的時候也會在抖動，有的是在加一定的負載后就開始抖動。 我們不用裝出機器人就可以預期一個事實，不停抖動的舵機裝出來的仿人機器人是不可能走的很好的，用不停抖動的舵機裝出來的機械臂是不可能寫字的?？上У氖?，現(xiàn)在的數字舵機還是很貴的，更別提用伺服直流電機+伺服驅動器+運動控制卡搭建的機器人系統(tǒng)了。 模擬舵機的調節(jié)周期是20ms（看看模塊卡的舵機程序），也就是它的反應時間是20ms。根據舵機的不同，假設我們估計舵機的速度是0.2s/60°，那么20ms舵機最快的時候轉過0.6

15、度才會進行調節(jié)，這就是關節(jié)在突然出現(xiàn)大負載的情況下，會被扭矩擺動0.6度，然后才糾正回來，我們的直觀感覺就是這個舵機不“硬”我們掰動舵盤，可以掰動一個位置。 數字舵機可以以很高的頻率進行調節(jié)，這個周期和角度會變得非常小，并且有PID調節(jié)方式的存在，能夠在以很適當的PID參數進行調節(jié)，能夠讓舵機有很高的響應速度，不會出現(xiàn)超調總伺服器舵機：總線伺服舵機實際上可以理解為舵機的衍生品，數字舵機相比與模擬舵機而言是設計上的顛覆，而總線伺服單元對于舵機而言則是在功能和運用上的顛覆。舵機實際上只能發(fā)揮出總線伺服舵機非常微小的部分。 那么什么是總線伺服舵機。我們先來看一下我們現(xiàn)在使用舵機和

16、數字舵機時遇見的問題。 1、 我們利用舵機（不論數字還是模擬）搭建一個仿人機器人，用了20個自由度，用了20個舵機。每根舵機都要接到控制卡上，有的線還需要延長，所有的線加起來有超過30根，像團海草一樣把機器人整個身體纏了個遍，機器人在走動的時候突然發(fā)現(xiàn)舵機線被拉松了，機器人一個趔趄把脖子都摔斷了?？刂瓶ㄉ闲枰龀?0個PWM信號接口（我們一直在為這個技術問題發(fā)愁，現(xiàn)在或許好一點），那可是長長的一排插針啊。健忘的我還很容易忘記哪個插針對應哪個舵機，好不容易接上后，一通電，機器人腿轉到背后去了，一排查發(fā)現(xiàn)腿關節(jié)接到肩關節(jié)了。當我們需要給機器人加些傳感器時候，突然發(fā)現(xiàn)，IO口都被用掉了，定

17、時器不夠用了，天啊，真是噩夢2、 2、舵機的每一個舵機的參數不一定一樣，不時還會出現(xiàn)中位偏差比較大的，好不容易裝出機器人來后發(fā)現(xiàn)舵機的中位不一致，和理論計算得出來的機器人步態(tài)不相匹配。這回麻煩大了，需要對每一個舵機設置中位，在發(fā)送舵機控制信號的時候還需要對每一個舵機都單獨加入這個修正值，而不能統(tǒng)一調用某一個通用的PWM產生函數，天啊，一個步態(tài)就是20行代碼啊。當然，程序員都是勤勞和嚴謹的，并不覺得這是辛苦的事情。而有些人會買可以通過編程器調節(jié)和設置中位的舵機，當然，可能會很貴 機器人步態(tài)的編寫是件非常麻煩的事，我們在編寫步態(tài)的時候給舵機的初始值基本上都是有偏差的，比如我想肩關節(jié)轉到180度位置

18、，我給的是255的控制值，但由于舵機個體差異的問題，這個值已經讓舵機處于堵轉狀態(tài)。過一會之后，我們發(fā)現(xiàn)機器人一只胳膊不能用了，可憐的機器人啊，還不知道到底發(fā)生了什么事。時候檢查發(fā)現(xiàn)機器人肩關節(jié)堵轉時間過久，導致電機過熱，讓舵機外殼融化，然后導致減速齒輪箱錯位，舵機就失效了，機器人的一只胳膊就殘廢了。 第一點的原因我們可以理解為，現(xiàn)在的舵機都是并聯(lián)控制的，線都是需要接到控制板上，我們可以幻想，如果舵機可以串聯(lián)就好了。腳腕關鍵的舵機串到膝關節(jié)，一直串到髖關節(jié)，最后一根線直接接到控制卡上，甚至可以把所有的舵機都串進去。我們可以驚喜的發(fā)現(xiàn)，原來只需要999元就可以買到稱心如意的鑲鉆手表哦，不好意思，離題了，我們同樣可以驚喜的發(fā)現(xiàn)，只需要1根線，最多4根線就可以搞定20個舵機了，哎，世界真奇妙啊。 第二點的原因是舵機自己不能存儲中位修正值，修正值需要我們發(fā)控制脈沖的時候補進去。我們可以想象，如果我告訴舵機：你好，放松，我要修正你的頭的位置，它有點歪了。然后舵機就放松下來，我們把它的頭擺正，然后告訴它：這是你頭部的正確方向，你以后需要以這位置為正前方，然后舵機就把這個位置記下來了，并且我告訴它轉60度它就以這為初始位置轉60