舵機(jī)基本原理與使用方法

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第一：舵機(jī)基本簡介
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2 S2 l, {! D7 k4 w9 \    在電子開發(fā)過程中，舵機(jī)是比較常用的電子元器件，價格也比較便宜，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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第二：舵機(jī)的作用
! q* [3 L& C$ n, T+ E      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)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之對接。
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6 @. Z5 z* P4 a  l8 [$ P4 y    舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，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。
& O2 G# }; f, T, k1 \5 S主要用于需要輸出某一控制角度的場合，舵機(jī)可以根據(jù)控制信號來輸出指定的角度，常見的有0-90°、0-180°、0-360°，舵機(jī)除了能夠輸出最大角度不同之外，價格和性能參數(shù)沒有任何區(qū)別（同一型號而言）。


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？
+ y# |5 T  Y6 l9 K    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，它對提高舵機(jī)的性能有著決定性的影響。
. b* N: o9 M# u①處理接收機(jī)的輸入信號的方式。
- ]7 C' j' o* C( K8 h  H②控制舵機(jī)馬達(dá)初始電流的方式，減少無反應(yīng)區(qū)(對小量信號無反應(yīng)的控制區(qū)域)，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量。
! X8 s$ {& J1 N0 m9 `4 H1 I: R③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)中會感覺更加“力氣大”而模擬舵機(jī)就會“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的舵機(jī)會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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4 y+ u# d! J3 y; K5 D第四：舵機(jī)的工作原理
    舵機(jī)主要是由外殼、電路板、驅(qū)動馬達(dá)、減速器與位置檢測元件所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC驅(qū)動無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動時電阻值也會隨之改變，此時由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。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)線圈時便會產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的作用力。依據(jù)物理學(xué)原理，物體的轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量成正比，因此要轉(zhuǎn)動質(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圓柱體，形成一個重量極輕的無極中空轉(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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下面咱們針對具體型號，比如SG90模擬舵機(jī)和MG90S數(shù)字舵機(jī)，來看看這兩者之間的區(qū)別。
7 `9 p* ?1 _7 M4 _: H3 S! }4 O$ {( Z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時序，具體對應(yīng)角度如下：
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    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)動程序整理好，供大家點(diǎn)擊下載舵機(jī)驅(qū)動程序）

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, f% i1 p( _# M) q( {: E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，無法驅(qū)動舵機(jī)，因此需要使用定時器來實(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應(yīng)關(guān)系，我們來看一張動圖，非常形象：


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因?yàn)橐�考慮能耗問題，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)。
① 舵機(jī)上電，無pwm控制信號
此時舵機(jī)不工作，靜態(tài)電流均為4mA左右，舵機(jī)不會自動復(fù)位，完全不動作。
& u2 y# _- p9 q0 C" _( _3 @② 舵機(jī)上電，有pwm控制信號，舵機(jī)工作在輸出到指定角度的過程中
此時舵機(jī)工作，需要消耗大約300mA的工作電流。
: ?6 k0 Y- @0 [4 ?  G0 {③舵機(jī)上電，有pwm控制信號，舵機(jī)已工作至指定角度
! Z3 t: z4 G& p! e7 m% N此時，舵機(jī)主要工作是維持指定角度，如果無外力抗拒，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。


! M4 D% }/ e! T/ L" ]第五：舵機(jī)是否需要驅(qū)動電路？
一般來講，舵機(jī)不需要特別的驅(qū)動電路，因?yàn)槎鏅C(jī)內(nèi)部已經(jīng)有驅(qū)動電路了，一般單片機(jī)IO口輸出的PWM波都可以驅(qū)動舵機(jī)。下圖是12C5A60S2驅(qū)動舵機(jī)的電路圖（p1.2沒用到）。
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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);    }



總結(jié)：舵機(jī)是常用的傳感器器件，一般需要采用一個20ms的時基脈沖，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)。