舵機基本原理與使用方法

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第一：舵機基本簡介

    在電子開發(fā)過程中，舵機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)字舵機比模擬舵機要貴些。
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第二：舵機的作用
      在機器人電控系統(tǒng)中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統(tǒng)中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之對接。

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8 r( W4 B1 `/ e9 o) R5 H5 D6 A    舵機是一種位置（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、潛艇模型，遙控機器人中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。
主要用于需要輸出某一控制角度的場合，舵機可以根據(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）。
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3 Z, c% S& u2 n( g7 k& O+ s第三：數(shù)字舵機和模擬舵機的區(qū)別是什么？模擬舵機和數(shù)字舵機接口是否通用？
    數(shù)字舵機（Digital Servo）和模擬舵機（Analog Servo）在基本的機械結(jié)構(gòu)方面是完全一樣的，主要由馬達、減速齒輪、控制電路等組成，而數(shù)字舵機和模擬舵機的最大區(qū)別則體現(xiàn)在控制電路上，數(shù)字舵機的控制電路比模擬舵機的多了微處理器和晶振。不要小看這一點改變，它對提高舵機的性能有著決定性的影響。
①處理接收機的輸入信號的方式。
8 o) |: I2 D  C% [+ G; R/ V& k②控制舵機馬達初始電流的方式，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。
③實際應(yīng)用不同，數(shù)字舵機在位置準確度方面要高于模擬舵機。在同樣標稱1.6公斤的舵機面前數(shù)字舵機在實際表現(xiàn)中會感覺更加“力氣大”而模擬舵機就會“肉”點。模擬舵機由于控制芯片是模擬電路，所以即便是相同型號的舵機會存在小小的性能差異，而數(shù)字舵機在一致性方面就非常好。


第四：舵機的工作原理
& m6 k. Z4 e' X, n' |: q( v4 l    舵機主要是由外殼、電路板、驅(qū)動馬達、減速器與位置檢測元件所構(gòu)成。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經(jīng)由電路板上的 IC驅(qū)動無核心馬達開始轉(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)到達定位。位置檢測器其實就是可變電阻，當(dāng)舵機轉(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。一般的伺服馬達是將細銅線纏繞在三極轉(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。舵機為求轉(zhuǎn)速快、耗電小，于是將細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。


# Q. ^4 l) i% y3 X/ K) s, O0 D下面咱們針對具體型號，比如SG90模擬舵機和MG90S數(shù)字舵機，來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，供大家點擊下載舵機驅(qū)動程序）
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- E, O, N( l2 t( {$ E8 [. R5 s2 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到10khz左右，還是太高，無法驅(qū)動舵機，因此需要使用定時器來實現(xiàn)。實際波形像下面這樣：
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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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因為要考慮能耗問題，所以關(guān)于SG90模擬舵機和MG90S數(shù)字舵機工作電流可以分為幾種狀態(tài)。
/ O9 R* R" {/ S" g① 舵機上電，無pwm控制信號
此時舵機不工作，靜態(tài)電流均為4mA左右，舵機不會自動復(fù)位，完全不動作。
② 舵機上電，有pwm控制信號，舵機工作在輸出到指定角度的過程中
% x# u% O! ^" W. J2 E) }+ K此時舵機工作，需要消耗大約300mA的工作電流。
8 X% C' A: Q7 ]( j+ P③舵機上電，有pwm控制信號，舵機已工作至指定角度
此時，舵機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。


第五：舵機是否需要驅(qū)動電路？
: l9 k, [. o5 z# x& @( D' J9 n) P一般來講，舵機不需要特別的驅(qū)動電路，因為舵機內(nèi)部已經(jīng)有驅(qū)動電路了，一般單片機IO口輸出的PWM波都可以驅(qū)動舵機。下圖是12C5A60S2驅(qū)動舵機的電路圖（p1.2沒用到）。





1 a5 [1 E; M7 E0 s; m* @( m+ W! O第六：舵機代碼實現(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);    }



$ w. l# D, P3 r  J2 h* H/ a. o8 b" v總結(jié)：舵機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。多實踐，方能走的更遠。