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舵机原理
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  • 舵机原理1、概述
    舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中,飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。举个简单的四通飞机来说,飞机上有以下几个地方需要控制:
    1.发动机进气量,来控制发动机的拉力(或推力);
    2.副翼舵面(安装在飞机机翼后缘),用来控制飞机的横滚运动;
    3.水平尾舵面,用来控制飞机的俯仰角;
    4.垂直尾舵面,用来控制飞机的偏航角;
    ??仄饔兴母鐾ǖ?,分别对应四个舵机,而舵机又通过连杆等传动元件带动舵面的转动,从而改变飞机的运动状态。舵机因此得名:控制舵面的伺服电机。
    不仅在航模飞机中,在其他的模型运动中都可以看到它的应用:船模上用来控制尾舵,车模中用来转向等等。由此可见,凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。
    2、结构和控制
    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5k、直流电机、控制电路板等。
    工作原理:控制电路板接受来自信号线的控制信号(具体信号待会再讲),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的转动方向和速度,从而达到目标停止。
    舵机的基本结构是这样,但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分,齿轮有塑料和金属之分,输出轴有滑动和滚动之分,壳体有塑料和铝合金之分,速度有快速和慢速之分,体积有大中小三种之分等等,组合不同,价格也千差万别。例如,其中小舵机一般称作微舵,同种材料的条件下是中型的一倍多,金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。
    舵机的输入线共有三条,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,一是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。
    舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号,其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms,相对应舵盘的位置为0-180度,呈线性变化。也就是说,给它提供一定的脉宽,它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上,无论外界转矩怎样改变,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的位置上。舵机内部有一个基准电路,产生周期20ms,宽度1.5ms的基准信号,有一个比较器,将外加信号与基准信号相比较,判断出方向和大小,从而产生电机的转动信号。由此可见,舵机是一种位置伺服的驱动器,转动范围不能超过180度,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。
    常见的舵机厂家有:日本的Futaba、JR、SANWA等,国产的有北京的新幻想、吉林的振华等。现举Futaba S3003来介绍相关参数,以供大家设计时选用。之所以用3003是因为这个型号是市场上最常见的,也是价格相对较便宜的一种(以下数据摘自Futaba产品手册)。
    尺 寸(Dimensions): 40.4×19.8×36.0 mm
    重 量(Weight): 37.2 g
    工作速度(Operating speed):0.23 sec/60°(4.8V)
    0.19 sec/60°(6.0V)
    输出力矩(Output torque): 3.2 kg.cm (4.8V)
    4.1 kg.cm (6.0V)
    由此可见,舵机具有以下一些特点:
    >体积紧凑,便于安装;
    >输出力矩大,稳定性好;
    >控制简单,便于和数字系统接口;
    正是因为舵机有很多优点,所以,现在不仅仅应用在航模运动中,已经扩展到各种机电产品中来,在机器人控制中应用也越来越广泛。
    3、用单片机来控制
    正是舵机的控制信号是一个脉宽调制信号,所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机,比方PLC、单片机等。这里介绍利用51系列单片机产生舵机的控制信号来进行控制的方法,编程语言为C51。之所以介绍这种方法只是因为笔者用2051实现过,本着负责的态度,所以敢在这里写出来。程序用的是我的四足步行机器人,有删改。单片机并不是控制舵机的最好的方法,希望在此能起到抛砖引玉的作用。
    2051有两个16位的内部计数器,我们就用它来产生周期20 ms的脉冲信号,根据需要,改变输出脉宽?;舅悸啡缦拢ㄇ攵哉障旅娴某绦颍?
    我用的晶振频率为12M,2051一个时钟周期为12个晶振周期,正好是1/1000 ms,计数器每隔1/1000 ms计一次数。以计数器1为例,先设定脉宽的初始值,程序中初始为1.5ms,在for循环中可以随时通过改变a值来改变,然后设定计数器计数初始值为a,并置输出p12为高位。当计数结束时,触发计数器溢出中断函数,就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ,在子函数中,改变输出p12为反相(此时跳为低位),在用20000(代表20ms周期)减去高位用的时间a,就是本周期中低位的时间,c=20000-a,并设定此时的计数器初值为c,直到定时器再次产生溢出中断,重复上一过程。...
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