舵機(jī)基本原理與使用方法

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第一：舵機(jī)基本簡(jiǎn)介

+ g  E6 z; Z8 f3 U    在電子開(kāi)發(fā)過(guò)程中，舵機(jī)是比較常用的電子元器件，價(jià)格也比較便宜，非常好找。金屬齒要比塑料齒要貴些，數(shù)字舵機(jī)比模擬舵機(jī)要貴些。



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0 I' `7 j/ `/ m7 V$ `2 L第二：舵機(jī)的作用
      在機(jī)器人電控系統(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)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)非常容易與之對(duì)接。
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$ M6 y/ ~. ]7 H  B    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以保持的控制系統(tǒng)。目前，在高檔遙控玩具，如飛機(jī)、潛艇模型，遙控機(jī)器人中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。
. `. A& J; T/ Z& U1 H5 o" V- ]主要用于需要輸出某一控制角度的場(chǎng)合，舵機(jī)可以根據(jù)控制信號(hào)來(lái)輸出指定的角度，常見(jiàn)的有0-90°、0-180°、0-360°，舵機(jī)除了能夠輸出最大角度不同之外，價(jià)格和性能參數(shù)沒(méi)有任何區(qū)別（同一型號(hào)而言）。
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  U6 O  ?4 X; P3 X  N4 t第三：數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)的區(qū)別是什么？模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)接口是否通用？
    數(shù)字舵機(jī)（Digital Servo）和模擬舵機(jī)（Analog Servo）在基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面是完全一樣的，主要由馬達(dá)、減速齒輪、控制電路等組成，而數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)的最大區(qū)別則體現(xiàn)在控制電路上，數(shù)字舵機(jī)的控制電路比模擬舵機(jī)的多了微處理器和晶振。不要小看這一點(diǎn)改變，它對(duì)提高舵機(jī)的性能有著決定性的影響。
6 r! L0 g! Q) Y' `% b0 a①處理接收機(jī)的輸入信號(hào)的方式。
②控制舵機(jī)馬達(dá)初始電流的方式，減少無(wú)反應(yīng)區(qū)(對(duì)小量信號(hào)無(wú)反應(yīng)的控制區(qū)域)，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量。
③實(shí)際應(yīng)用不同，數(shù)字舵機(jī)在位置準(zhǔn)確度方面要高于模擬舵機(jī)。在同樣標(biāo)稱1.6公斤的舵機(jī)面前數(shù)字舵機(jī)在實(shí)際表現(xiàn)中會(huì)感覺(jué)更加“力氣大”而模擬舵機(jī)就會(huì)“肉”點(diǎn)。模擬舵機(jī)由于控制芯片是模擬電路，所以即便是相同型號(hào)的舵機(jī)會(huì)存在小小的性能差異，而數(shù)字舵機(jī)在一致性方面就非常好。

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第四：舵機(jī)的工作原理
    舵機(jī)主要是由外殼、電路板、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、減速器與位置檢測(cè)元件所構(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)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(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)隨之改變，此時(shí)由檢測(cè)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)電流流經(jīng)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，于是將細(xì)銅線纏繞成極薄的中空?qǐng)A柱體，形成一個(gè)重量極輕的無(wú)極中空轉(zhuǎn)子，并將磁鐵置於圓柱體內(nèi)，這就是空心杯馬達(dá)。
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. w5 i  b& ?. \9 B; c下面咱們針對(duì)具體型號(hào)，比如SG90模擬舵機(jī)和MG90S數(shù)字舵機(jī)，來(lái)看看這兩者之間的區(qū)別。
首先，引腳都是兼容的三根線排列一致，分別是GND(棕色)、VCC(紅色)、PWM(黃色)，控制方式也是一樣的PWM時(shí)序，具體對(duì)應(yīng)角度如下：
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6 N+ a) f  _9 s3 z; T- ~    這里要注意，PWM波的頻率不能太高，大約50HZ，即周期0.02s，20ms左右，（為了方便大家使用，筆者已經(jīng)將驅(qū)動(dòng)程序整理好，供大家點(diǎn)擊下載舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序）
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0 }. n6 a4 [' M所以如果要用12C5A60S2的PCA產(chǎn)生PWM波的話輸出頻率最低只能達(dá)到10khz左右，還是太高，無(wú)法驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，因此需要使用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際波形像下面這樣：
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為了更加形象地了解pwm波形和輸出角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們來(lái)看一張動(dòng)圖，非常形象：





) \8 r; O7 t& S9 Q, s0 x因?yàn)橐�考慮能耗問(wèn)題，所以關(guān)于SG90模擬舵機(jī)和MG90S數(shù)字舵機(jī)工作電流可以分為幾種狀態(tài)。
& B7 D; n% {- z; ^7 E* s! X  t# d① 舵機(jī)上電，無(wú)pwm控制信號(hào)
7 y- m  e+ z  r- ]- E此時(shí)舵機(jī)不工作，靜態(tài)電流均為4mA左右，舵機(jī)不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，完全不動(dòng)作。
* g2 w6 w* S  d6 O② 舵機(jī)上電，有pwm控制信號(hào)，舵機(jī)工作在輸出到指定角度的過(guò)程中
此時(shí)舵機(jī)工作，需要消耗大約300mA的工作電流。
' l) W; H: M0 N" v③舵機(jī)上電，有pwm控制信號(hào)，舵機(jī)已工作至指定角度
) ?  |2 l8 k2 v  i" u此時(shí)，舵機(jī)主要工作是維持指定角度，如果無(wú)外力抗拒，則消耗電流較小，SG90大約需要5mA，MG90S大約需要8mA左右。當(dāng)然如果有外力抗拒的話則輸出電流增大以抗拒外力。
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7 }  F$ j, J( l/ E% R& [7 k第五：舵機(jī)是否需要驅(qū)動(dòng)電路？
一般來(lái)講，舵機(jī)不需要特別的驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)槎鏅C(jī)內(nèi)部已經(jīng)有驅(qū)動(dòng)電路了，一般單片機(jī)IO口輸出的PWM波都可以驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。下圖是12C5A60S2驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的電路圖（p1.2沒(méi)用到）。
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- b6 p  V1 F3 Z8 o! p7 N& W第六：舵機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)參考
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pwm_init(PWM1_P11, 50, 0);    while(1)  {   pwm_duty(PWM1_P11, 250);  //0°    delay_ms(1000);    pwm_duty(PWM1_P11, 500); //45°    delay_ms(1000);      pwm_duty(PWM1_P11, 750); //90°    delay_ms(1000);    pwm_duty(PWM1_P11, 1000); //135°    delay_ms(1000);    pwm_duty(PWM1_P11, 1250); //180°    delay_ms(1000);    }

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總結(jié)：舵機(jī)是常用的傳感器器件，一般需要采用一個(gè)20ms的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制，總間隔為2ms。多實(shí)踐，方能走的更遠(yuǎn)。