MG995 945 995舵機(jī)的參考資料

1、 舵機(jī)的工作原理： 控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(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，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)，通過級聯(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，知道可以拿它來做開關(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。 舵機(jī)的控制： 舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.

2、5ms2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度舵機(jī)為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)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；請看下形象描述吧: 舵機(jī)的工作電壓和電流： 每一款舵機(jī)都有自己的參數(shù)，如TR213舵機(jī)的工作電壓是4.8-7.2V，TR205舵機(jī)的工作電壓是4.8-6V，電壓不能超過這個(gè)范圍，否則會(huì)很容易燒壞舵機(jī)，在不清楚舵機(jī)工作電壓范圍的情況下，建議使用5V給舵機(jī)供電。舵機(jī)的工作電流是根據(jù)舵機(jī)的實(shí)際情況而定的，如TR213舵機(jī)，在空載的時(shí)候電流幾乎為0，而在正常負(fù)載的情況下，電流在0.5A左右，視實(shí)際情況而定。六

3、足機(jī)器人需要18個(gè)TR213金屬舵機(jī)，需要提高的電流大概在8A左右，如果電源功率不夠會(huì)影響舵機(jī)的性能，最常見的現(xiàn)象是，當(dāng)一個(gè)舵機(jī)負(fù)載的時(shí)候，其他舵機(jī)會(huì)出現(xiàn)混亂，無規(guī)律的亂擺。 舵機(jī)三根線的區(qū)分： 信號線接單片機(jī)I/O口，由于舵機(jī)內(nèi)部有驅(qū)動(dòng)電路，所以可以直接用普通的單片機(jī)I/O口直接控制；電源正極，接輸入電源的正極；地線，接輸入電源的負(fù)極；備注：如果控制部分和電源部分是分開的，兩者一定要共地。舵機(jī)最近幾年國內(nèi)機(jī)器人開始起步發(fā)展，很多高校、中小學(xué)都開始進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)教學(xué)。小型的機(jī)器人、模塊化的機(jī)器人、組件式的機(jī)器人是教學(xué)機(jī)器人的首選。在這些機(jī)器人產(chǎn)品中，舵機(jī)是最關(guān)鍵，使用最多的部件。根據(jù)控制方式，

4、舵機(jī)應(yīng)該稱為微型伺服馬達(dá)。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(jī)。舵機(jī)接受一個(gè)簡單的控制指令就可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品使用。仿人型機(jī)器人就是舵機(jī)運(yùn)用的最高境界。一、舵機(jī)的結(jié)構(gòu)舵機(jī)簡單的說就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)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(jī)控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機(jī)更準(zhǔn)確的說是伺服馬達(dá)，英文Servo。舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如下

5、圖所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、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(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。舵機(jī)的外殼一般是塑料的，特殊的舵機(jī)可能會(huì)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(jī)內(nèi)的電機(jī)運(yùn)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置。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(qiáng)度較低；金屬

6、齒輪強(qiáng)度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會(huì)有很大的噪音。小扭矩舵機(jī)、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機(jī)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(jī)上，比如輝盛的995舵機(jī)，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料，其高強(qiáng)度能保證3003大小的舵機(jī)能提供20幾公斤的扭矩?；旌淆X輪在金屬齒輪和塑料齒輪間做了折中，在電機(jī)輸出齒輪上扭矩一般不大，用塑料齒輪。二、舵機(jī)的規(guī)格和選型當(dāng)今使用的舵機(jī)有模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)之分（具體差別見第節(jié)），不過數(shù)字舵機(jī)還是相對較少。下面的技術(shù)規(guī)格同時(shí)適用與兩種舵機(jī)。舵機(jī)的規(guī)格主要

7、有幾個(gè)方面：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、尺寸、重量、材料等。我們在做舵機(jī)的選型時(shí)要對以上幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速由舵機(jī)無負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60角所需時(shí)間來衡量，常見舵機(jī)的速度一般在0.11/600.21S/60之間。 轉(zhuǎn)矩 舵機(jī)扭矩的單位是KGCM，這是一個(gè)扭矩單位?？梢岳斫鉃樵诙姹P上距舵機(jī)軸中心水平距離1CM處，舵機(jī)能夠帶動(dòng)的物體重量。 電壓 廠商提供的速度、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)和測試電壓有關(guān)，在4.8V和6V兩種測試電壓下這兩個(gè)參數(shù)有比較大的差別。如Futaba S-9001 在 4.8V 時(shí)扭力為 3.9kg、速度為 0.22 秒，在 6.0V 時(shí)扭力為 5.2kg、速度為 0.18 秒。若無特別注明

8、，JR 的舵機(jī)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(jī)的工作電壓對性能有重大的影響，舵機(jī)推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當(dāng)然，有的舵機(jī)可以在7V以上工作，比如12V的舵機(jī)也不少。較高的電壓可以提高電機(jī)的速度和扭矩。選擇舵機(jī)還需要看我們的控制卡所能提供的電壓。 尺寸、重量和材質(zhì) 舵機(jī)的功率（速度轉(zhuǎn)矩）和舵機(jī)的尺寸比值可以理解為該舵機(jī)的功率密度，一般同樣品牌的舵機(jī)，功率密度大的價(jià)格高。塑料齒輪的舵機(jī)在超出極限負(fù)荷的條件下使用可能會(huì)崩齒，金屬齒輪的舵機(jī)則可能會(huì)電機(jī)過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對的傾向，關(guān)鍵是將舵機(jī)使用在設(shè)計(jì)規(guī)格之內(nèi)。用戶一般都對金

9、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(shí)間過載下也不會(huì)損毀，最后確是電機(jī)過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復(fù)的。塑料出軸的舵機(jī)如果使用金屬舵盤是很危險(xiǎn)的，舵盤和舵機(jī)軸在相互扭轉(zhuǎn)過程中，金屬舵盤不會(huì)磨損，舵機(jī)軸會(huì)在一段時(shí)間后變得光禿，導(dǎo)致舵機(jī)完全不能使用。綜上，選擇舵機(jī)需要在計(jì)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%左右甚至更大扭矩富余的舵機(jī)。三、模擬舵機(jī)及其控制原理舵機(jī)是一個(gè)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(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍

10、數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。模擬舵機(jī)需要一個(gè)外部控制器（遙控器的接收機(jī)）產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號來告訴舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖寬度是舵機(jī)控制器所需的編碼信息。舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對應(yīng)-90度到+90度的位置。如下圖所示：需要解釋的是舵機(jī)原來主要用在飛機(jī)、汽車、船只模型上，作為方向舵的調(diào)節(jié)和控制裝置。所以，一般的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是45、60或者90，這時(shí)候脈沖寬度一般只有1ms-2ms之間。而后舵機(jī)開始在機(jī)器人上得到大幅度

11、的運(yùn)用，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也在根據(jù)機(jī)器人關(guān)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(diào)制信號)，有的定義為PWM（脈寬調(diào)制信號）。準(zhǔn)確的講應(yīng)該叫什么筆者也沒有確定的答案，請恕我才疏學(xué)淺。對與模型遙控器，發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的信號編碼方式是PPM（也有PCM）方式，當(dāng)然，這個(gè)信號的編碼傳輸過程不是接收機(jī)到舵機(jī)之間，切不可混淆。對于PPM、PCM在調(diào)制信號上面的區(qū)別可以看現(xiàn)代無線通訊。對與機(jī)器人控制而言，我們一般通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號控制舵機(jī)，所以下面對于舵機(jī)的控制脈沖都稱為PWM信號（一家直言，如若覺得不準(zhǔn)確可以來信討論）。如果你是愛好者，只是想了

12、解舵機(jī)，對于它的控制原理了解到這就可，下面我們將對模擬舵機(jī)的具體電路進(jìn)行分析，需要讀者具有初步的模電、數(shù)電常識。我們在網(wǎng)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(jìn)入信號解調(diào)電路BA6688的12腳，這是周期20ms，脈寬0.5ms-2.5ms之間的PWM信號。該P(yáng)WM信號和內(nèi)部以5K電位器實(shí)際電壓為基準(zhǔn)的脈沖進(jìn)行比較，得到的脈沖進(jìn)行展寬后給H橋，H橋根據(jù)展寬后的脈沖信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)。解調(diào)后的直流偏置電壓和通過電位器得到反饋電壓進(jìn)行比較得到電壓差，BA66898根據(jù)該電壓差通過3腳輸送的PWM信號給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路BAL6686驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電位

13、器轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致比較后的電壓差變化，直到電壓差為0，電機(jī)停止。查下H-Bridge的驅(qū)動(dòng)信號是脈沖還是什么。測一下，這個(gè)脈沖和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系。疊加在5K的電位器反饋電壓之上的還有一個(gè)Motor Back EMF，意思是電機(jī)反向電動(dòng)勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，無論作為電動(dòng)機(jī)還是作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電樞都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。發(fā)電機(jī)中的感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢就稱為感應(yīng)電動(dòng)勢，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢一般稱為反電動(dòng)勢。電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢會(huì)和轉(zhuǎn)速成比例變化。通過搭建橋式伺服電路，可以或許電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢，通過和給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，可以實(shí)現(xiàn)簡單的速度換控制。3003用這樣的方式來進(jìn)行速度伺服控制，保證舵機(jī)的最高速度穩(wěn)定。而電位器

14、只是進(jìn)行點(diǎn)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I(lǐng)C，一般選擇M51660、AA5188、YT5166這些芯片一般沒有EMF控制。控制電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)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?？刂齐娐吠ㄟ^占空比進(jìn)行調(diào)速，通過正反脈沖進(jìn)行調(diào)向。具體可以看直流電動(dòng)機(jī)控制方面的書籍。四、數(shù)字舵機(jī)及其控制原理數(shù)字舵機(jī)從根本上顛覆了舵機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)字和模擬舵機(jī)相比在兩個(gè)方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)。1、防抖。2、響應(yīng)速度快。模擬舵機(jī)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(diào)節(jié)方式。電位器由于線性度的影響

15、，精度的影響，個(gè)體差異性的問題，會(huì)導(dǎo)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(jīng)過1個(gè)調(diào)節(jié)周期后，電位器轉(zhuǎn)過的位置已經(jīng)是2.6V了，這樣控制電路就會(huì)給電機(jī)一個(gè)方向脈沖調(diào)節(jié)，電機(jī)往回轉(zhuǎn)，又轉(zhuǎn)過頭，然后有向前調(diào)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(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)有的很好用，有的在空載的時(shí)候也會(huì)在抖動(dòng)，有的是在加一定的負(fù)載后就開始抖動(dòng)。我們不用裝出機(jī)器人就可以預(yù)期一個(gè)事實(shí)，不停抖動(dòng)的舵機(jī)裝出來的仿人機(jī)器人是不可能走的很好的，用不停抖動(dòng)的舵機(jī)裝出來的機(jī)械臂是不可能寫字的?？上У氖牵F(xiàn)在的數(shù)字舵機(jī)還是很貴的，更別提用伺服直流電機(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)

16、器+運(yùn)動(dòng)控制卡搭建的機(jī)器人系統(tǒng)了。模擬舵機(jī)的調(diào)節(jié)周期是20ms（看看模塊卡的舵機(jī)程序），也就是它的反應(yīng)時(shí)間是20ms。根據(jù)舵機(jī)的不同，假設(shè)我們估計(jì)舵機(jī)的速度是0.2s/60，那么20ms舵機(jī)最快的時(shí)候轉(zhuǎn)過0.6度才會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就是關(guān)節(jié)在突然出現(xiàn)大負(fù)載的情況下，會(huì)被扭矩?cái)[動(dòng)0.6度，然后才糾正回來，我們的直觀感覺就是這個(gè)舵機(jī)不“硬”我們掰動(dòng)舵盤，可以掰動(dòng)一個(gè)位置。數(shù)字舵機(jī)可以以很高的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，這個(gè)周期和角度會(huì)變得非常小，并且有PID調(diào)節(jié)方式的存在，能夠在以很適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠讓舵機(jī)有很高的響應(yīng)速度，不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。五、總線伺服舵機(jī)總線伺服舵機(jī)實(shí)際上可以理解為舵機(jī)的衍生品，數(shù)字舵機(jī)

17、相比與模擬舵機(jī)而言是設(shè)計(jì)上的顛覆，而總線伺服單元對于舵機(jī)而言則是在功能和運(yùn)用上的顛覆。舵機(jī)實(shí)際上只能發(fā)揮出總線伺服舵機(jī)非常微小的部分。那么什么是總線伺服舵機(jī)。我們先來看一下我們現(xiàn)在使用舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)時(shí)遇見的問題。1、我們利用舵機(jī)（不論數(shù)字還是模擬）搭建一個(gè)仿人機(jī)器人，用了20個(gè)自由度，用了20個(gè)舵機(jī)。每根舵機(jī)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(tuán)海草一樣把機(jī)器人整個(gè)身體纏了個(gè)遍，機(jī)器人在走動(dòng)的時(shí)候突然發(fā)現(xiàn)舵機(jī)線被拉松了，機(jī)器人一個(gè)趔趄把脖子都摔斷了。控制卡上需要做出20個(gè)PWM信號接口（我們一直在為這個(gè)技術(shù)問題發(fā)愁，現(xiàn)在或許好一點(diǎn)），那可是長長的一排插針啊。健忘的

18、我還很容易忘記哪個(gè)插針對應(yīng)哪個(gè)舵機(jī)，好不容易接上后，一通電，機(jī)器人腿轉(zhuǎn)到背后去了，一排查發(fā)現(xiàn)腿關(guān)節(jié)接到肩關(guān)節(jié)了。當(dāng)我們需要給機(jī)器人加些傳感器時(shí)候，突然發(fā)現(xiàn)，IO口都被用掉了，定時(shí)器不夠用了，天啊，真是噩夢。2、舵機(jī)的每一個(gè)舵機(jī)的參數(shù)不一定一樣，不時(shí)還會(huì)出現(xiàn)中位偏差比較大的，好不容易裝出機(jī)器人來后發(fā)現(xiàn)舵機(jī)的中位不一致，和理論計(jì)算得出來的機(jī)器人步態(tài)不相匹配。這回麻煩大了，需要對每一個(gè)舵機(jī)設(shè)置中位，在發(fā)送舵機(jī)控制信號的時(shí)候還需要對每一個(gè)舵機(jī)都單獨(dú)加入這個(gè)修正值，而不能統(tǒng)一調(diào)用某一個(gè)通用的PWM產(chǎn)生函數(shù)，天啊，一個(gè)步態(tài)就是20行代碼啊。當(dāng)然，程序員都是勤勞和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模⒉挥X得這是辛苦的事情。而有些人會(huì)買可以通過編程器調(diào)節(jié)和設(shè)置中位的舵機(jī)，當(dāng)然，可能會(huì)很貴。3、機(jī)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(shí)候給舵機(jī)的初始值基本上都是有偏差的，比如我想肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)到180度位置，我給的是255的控制值，但由于舵機(jī)個(gè)體差異的問題，這個(gè)值已經(jīng)讓舵機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。過一會(huì)之后，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人一只胳膊不能用了，可憐的機(jī)器人啊，還不知道到底發(fā)生了什么事。時(shí)候檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)器人肩關(guān)節(jié)堵轉(zhuǎn)時(shí)間過久，導(dǎo)致電機(jī)過熱，讓舵機(jī)外殼融化，然后導(dǎo)致減速齒輪箱錯(cuò)位，舵機(jī)就失效了，機(jī)器人的一只胳膊就殘廢了。第一點(diǎn)的原因我們可以理解為