舵机及转向控制原理
舵机及转向控制原理
令狐采学
1、概述
2、舵机的组成
3、舵机工作原理
4、舵机选购
5、舵机使用中应注意的事项
6、辉盛S90舵机简介
7、如何利用程序实现转向
8、51单片机舵机测试程序
1、概述
舵机也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能小车以
实现转向以及机器人各类关节运动中，如图1、图2所示。
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图1舵机用于机器人
图2舵机用于智能小车中
舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分，图3为舵机的外形图。
图3舵机外形图
2、舵机的组成
一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿
轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等，如图4、图5所示。
图4舵机的组成示意图
图5舵机组成
舵机的输入线共有三条，如图6所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V, —令狐采学创作是6.0V,分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不
同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。
图6舵机的输出线
3、舵机工作原理
控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号一控制电路板―电机转动-齿轮组减速-舵盘转动?位置反馈电位计-控制电路板反馈。
流，才可发挥舵机应有的性能。
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舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM）信号,其中脉冲宽度从0.52.5MS,相对应的舵盘位置为0-180 度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上如图7所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS,宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过18（）度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。
图7舵机输岀转角与输入脉冲的关系
4、舵机选购
市场上的舵机有塑料齿、金属齿、小尺寸、标准尺寸、大
尺寸，另外还有薄的标准尺寸舵机，及低重心的型号。小舵机
一般称为微型舵机,扭力都比较小，市面± 2.5g, 3.7g, 4.4g,
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7g,陀等舵机指的是舵机的重量分别是多少克，体积和扭力也是逐渐增大。微型舵机内部多数都是塑料齿，眩舵机有金属齿的型号，扭力也比塑料齿的要大些。funbiS3()()3,辉盛MG995是标准舵机，体积差不多，但前者是塑料齿，后者金属齿，两者标称的扭力也差很多。春天sr403p, Dynamixel AX12+是机器人专用舵机，不同的是前者是国产，后者是韩国产，两者都是金属齿标称扭力13叱以上，但前者只是改改样子的模拟舵机，后者则是RS485串口通信，具有位置反馈，而且还具有速度反馈与温度反馈功能的数字舵机，两者在性能和价格上相差很大。
除了体积，外形和扭力的不同选择，舵机的反应速度和虚位也要考虑，一般舵机的标称反应速度常见()?22秒/6()° , ().18 秒/60°,好些的舵机有().12秒/6()°等的,数值小反应就快。
厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(mm).扭力
(kg/cm).速度(秒/6()°)、测试电压(V)及重量(?等基本资料。扭力的单位是kg/cm,意思是在摆臂长度1公分处，能吊令狐采学创作起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是suc/6()°,意思是舵机转动60°所需要的时间。电压会直接影响舵机的性能，例如Futaba S9001在
4.8V时扭力为3.9kg/cm 速度为0.22秒/60°,在6.0V时扭力为
5.2kg/cm.速度为0.18秒/60°。若无特别注明，JR的舵机都是以4.8V为测试电压，Futaba则是以
6.0V作为测试电压。速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的电池，能提供稳定且充裕的。
现在市面上的舵机鱼龙混杂，总体来说仿品不如正品，便宜的不如贵的，塑料齿的不如金属齿的，老的不如新的，国内的不如外国的等等，大家不必过于追求极致，根据自身购买力选择够用的就行。
5、舵机使用中应注意的事项
1)、常用舵机的额定工作电压为6V,可以使用LM1117
等芯片提供6V的电压，如果为了简化硬件上的设计直接使用
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5V的供电影响也不是很大，但最好和单片机进行分开供电，否则会造成单片机无法正常工作。
2）、一般来说可以将来信号线连接至单片机的任意引脚，
对于51单片机需通过定时器模块出PWM才能进行控制。但是如果连接像飞思卡尔之类的芯片，由于飞思卡尔内部带有PWM模块，可以直接输出PWM信号，此时应将来信号连于专用的PWM 输出引脚上。
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