舵机基本原理与使用方法

zeng119

第一：舵机基本简介
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% [* Q' H, u: c2 G' W; Q    在电子开发过程中，舵机是比较常用的电子元器件，价格也比较便宜，非常好找。金属齿要比塑料齿要贵些，数字舵机比模拟舵机要贵些。
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- J+ F1 u& h2 u+ E. u8 O- V+ I3 x第二：舵机的作用
      在机器人电控系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之对接。
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    舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前，在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。
主要用于需要输出某一控制角度的场合，舵机可以根据控制信号来输出指定的角度，常见的有0-90°、0-180°、0-360°，舵机除了能够输出最大角度不同之外，价格和性能参数没有任何区别（同一型号而言）。

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第三：数字舵机和模拟舵机的区别是什么？模拟舵机和数字舵机接口是否通用？
    数字舵机（Digital Servo）和模拟舵机（Analog Servo）在基本的机械结构方面是完全一样的，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成，而数字舵机和模拟舵机的最大区别则体现在控制电路上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的多了微处理器和晶振。不要小看这一点改变，它对提高舵机的性能有着决定性的影响。
) z3 m: N5 |  v3 k①处理接收机的输入信号的方式。
) K. t! K# V2 n* U4 Y. J  I7 k8 h②控制舵机马达初始电流的方式，减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。
* _) p5 z: h) g2 N  c% Q2 p7 \  c③实际应用不同，数字舵机在位置准确度方面要高于模拟舵机。在同样标称1.6公斤的舵机面前数字舵机在实际表现中会感觉更加“力气大”而模拟舵机就会“肉”点。模拟舵机由于控制芯片是模拟电路，所以即便是相同型号的舵机会存在小小的性能差异，而数字舵机在一致性方面就非常好。

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第四：舵机的工作原理
& x2 }* Y  v) ]* k" d# L    舵机主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，此时由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的无极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是空心杯马达。
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下面咱们针对具体型号，比如SG90模拟舵机和MG90S数字舵机，来看看这两者之间的区别。
! \) W) ~% r/ m首先，引脚都是兼容的三根线排列一致，分别是GND(棕色)、VCC(红色)、PWM(黄色)，控制方式也是一样的PWM时序，具体对应角度如下：

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    这里要注意，PWM波的频率不能太高，大约50HZ，即周期0.02s，20ms左右，（为了方便大家使用，笔者已经将驱动程序整理好，供大家点击下载舵机驱动程序）
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所以如果要用12C5A60S2的PCA产生PWM波的话输出频率最低只能达到10khz左右，还是太高，无法驱动舵机，因此需要使用定时器来实现。实际波形像下面这样：
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( ?% D  Z6 H7 B. r- x: E+ v为了更加形象地了解pwm波形和输出角度的对应关系，我们来看一张动图，非常形象：




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因为要考虑能耗问题，所以关于SG90模拟舵机和MG90S数字舵机工作电流可以分为几种状态。
$ [( i/ t! u3 p) f+ H+ B① 舵机上电，无pwm控制信号
5 }- B6 n# {" v) k2 z* H/ ?$ ^2 E此时舵机不工作，静态电流均为4mA左右，舵机不会自动复位，完全不动作。
3 ?: T6 g1 t' u1 ?- P- M) q② 舵机上电，有pwm控制信号，舵机工作在输出到指定角度的过程中
1 s" H' T; R$ x/ \/ C- s此时舵机工作，需要消耗大约300mA的工作电流。
③舵机上电，有pwm控制信号，舵机已工作至指定角度
2 \& V! [; d+ b此时，舵机主要工作是维持指定角度，如果无外力抗拒，则消耗电流较小，SG90大约需要5mA，MG90S大约需要8mA左右。当然如果有外力抗拒的话则输出电流增大以抗拒外力。
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第五：舵机是否需要驱动电路？
- w; N8 s  K: ^/ r( Y3 C一般来讲，舵机不需要特别的驱动电路，因为舵机内部已经有驱动电路了，一般单片机IO口输出的PWM波都可以驱动舵机。下图是12C5A60S2驱动舵机的电路图（p1.2没用到）。
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( V" V" k5 @: W$ S4 a& m# S* C8 g5 K第六：舵机代码实现参考




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; b4 v1 t" d) u7 ~/ ~( c. r) Tpwm_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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$ ?# j* i3 H' V* C总结：舵机是常用的传感器器件，一般需要采用一个20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制，总间隔为2ms。多实践，方能走的更远。