舵機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理，以及如何通過(guò)PWM信號(hào)控制舵機(jī)
目錄
什么是舵機(jī)？
伺服控制
硬件連接
舵機(jī)規(guī)格
SG90
MG90S
MG996R
總結(jié)
什么是舵機(jī)？
舵機(jī)是伺服電機(jī)的一種，伺服電機(jī)就是帶有反饋環(huán)節(jié)的電機(jī)，我們可以通過(guò)伺服電機(jī)進(jìn)行精確的位置控制或者輸出較高的扭矩；
舵機(jī)
舵機(jī)也叫也叫RC 伺服器，通常用于機(jī)器人項(xiàng)目，也可以在遙控汽車，飛機(jī)等航模中找到它們。
類似舵機(jī)這樣的伺服系統(tǒng)通常由小型電動(dòng)機(jī)，電位計(jì)，嵌入式控制系統(tǒng)和變速箱組成。
電機(jī)輸出軸的位置由內(nèi)部電位計(jì)不斷采樣測(cè)量，并與微控制器（例如STM32,Arduino）設(shè)置的目標(biāo)位置進(jìn)行比較；
根據(jù)相應(yīng)的偏差，控制設(shè)備會(huì)調(diào)整電機(jī)輸出軸的實(shí)際位置，使其與目標(biāo)位置匹配。這樣就形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。
閉環(huán)系統(tǒng)
變速箱降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而增加了輸出軸上的輸出扭矩。輸出軸的最大速度通常約為60 RPM。
具體結(jié)構(gòu)如下圖所示；
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
①：信號(hào)線：接收來(lái)自微控制器的控制信號(hào)；
②：電位器：可以測(cè)量輸出軸的位置量，屬于整個(gè)伺服機(jī)構(gòu)的反饋部分；
③：內(nèi)部控制器：處理來(lái)自外部控制的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及處理反饋的位置信號(hào)，是整個(gè)伺服機(jī)構(gòu)的核心；
④：電機(jī)：作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出多少轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，位置；
⑤：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)/舵機(jī)系統(tǒng)：該機(jī)構(gòu)根據(jù)一定傳動(dòng)比，將電機(jī)輸出的行程縮放到最終輸出的角度上；
內(nèi)部解剖圖
因此舵機(jī)是伺服電機(jī)的一種，整體電機(jī)就是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，輸入相應(yīng)的信號(hào)，就能控制舵機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的位置量；
伺服控制
通過(guò)向舵機(jī)的信號(hào)信號(hào)線發(fā)送PWM信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)的輸出量；
上一篇文章有介紹過(guò)PWM，一般來(lái)說(shuō)，PWM的周期以及占空比，我們是可控的，所以PWM脈沖的占空比直接決定了輸出軸的位置。
下面舉個(gè)例子；
當(dāng)我們向舵機(jī)發(fā)送脈沖寬度為1.5毫秒（ms）的信號(hào)時(shí)，舵機(jī)的輸出軸將移至中間位置（90度）；
脈沖寬度為1ms時(shí)，舵機(jī)的輸出軸將移至最小的位置（0度）；
脈沖寬度為2ms時(shí)，舵機(jī)的輸出軸將移至最小的位置（180度）；
注意：不同類型和品牌的伺服電機(jī)之間最大位置和最小位置的角度可能會(huì)不同。許多伺服器僅旋轉(zhuǎn)約170度（或者只有90度），但寬度為1.5 ms的伺服脈沖通常會(huì)將伺服設(shè)置為中間位置（通常是指定全范圍的一半）；
具體可以參考下圖；
轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸入信號(hào)的關(guān)系
伺服電動(dòng)機(jī)的周期通常為20毫秒，希望以50Hz的頻率產(chǎn)生脈沖，但是許多伺服器在40至200 Hz的范圍內(nèi)都能正常工作。
硬件連接
舵機(jī)的硬件布線比較簡(jiǎn)單，我們只需要三條線：電源線，信號(hào)線，地線；
如果單個(gè)舵機(jī)的電流比較小，例如SG90這種舵機(jī)，在空閑的時(shí)候大約只消耗10mA的電流，在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候需要消耗100-250mA，因此，一般控制系統(tǒng)如果具備這樣的輸出能力，可以直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
如果舵機(jī)所需電流較大，則需要額外增加驅(qū)動(dòng)電路，將數(shù)字控制端和功率端隔離開(kāi)；
或者需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)舵機(jī)，可以使用PCA9685對(duì)多路PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
舵機(jī)規(guī)格
下面是幾款幾款比較常見(jiàn)的舵機(jī)，我整理了一下它們的規(guī)格參數(shù)，在選型的時(shí)候，應(yīng)該需要關(guān)注一下；
SG90
這款比較便宜，如下圖所示；
SG90
技術(shù)指標(biāo)
| Operating voltage | 4.8 V |
|---|---|
| Weight | 9 g |
| Stall torque | 1.8 kg/cm (4.8 V) |
| Gear type | POM gear set |
| Operating speed | 0.12 sec/60° (4.8 V) |
| Operating temperature | 0 – 55 °C |
MG90S
MG90S
技術(shù)指標(biāo)
| Operating voltage | 4.8 V |
|---|---|
| Weight | 13.4 g |
| Stall torque | 1.8 kg/cm (4.8 V), 2.2 kg/cm (6.6 V) |
| Gear type | 6061-T6 aluminum |
| Operating speed | 0.10 sec/60° (4.8 V), 0.08 sec/60° (6.0 V) |
| Operating temperature | 0 – 55 °C |
MG996R
MG996R
技術(shù)指標(biāo)
| Operating voltage | 4.8 – 6.6 V |
|---|---|
| Current draw at idle | 10 mA |
| No-load operating current draw | 170 mA |
| Stall current draw | 1400 mA |
| Weight | 55 g |
| Stall torque | 9.4 kg/cm (4.8 V), 11 kg/cm (6.0 V) |
| Gear type | Metal gear |
| Operating speed | 0.19 sec/60° (4.8 V), 0.15 sec/60° (6.0 V) |
| Operating temperature | 0 – 55 °C |
總結(jié)
本文簡(jiǎn)單介紹了舵機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理，以及如何通過(guò)PWM信號(hào)控制舵機(jī)，簡(jiǎn)單介紹了如何同時(shí)控制多個(gè)伺服電機(jī)，最后介紹了幾款市面上比較常用的舵機(jī)。
責(zé)任編輯：xj
原文標(biāo)題：小小舵機(jī)，大大玄機(jī)！
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