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简单说一说舵机

简单说一说舵机

作者: 那个混子 | 来源:发表于2020-11-12 19:54 被阅读0次

什么是舵机:

在机器人机电控制系统中,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和航模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接口。
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,如航模,包括飞机模型,潜艇模型;遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称,其实是一种伺服马达

工作原理:

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。
最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动。
我们可以不用去了解它的原理,大概了解就可以了,关键要能够学会控制它。

舵机的控制:

舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例,那么对应
的控制关系是这样的:

  • 0.5ms--------------0度;
  • 1.0ms------------45度;
  • 1.5ms------------90度;
  • 2.0ms-----------135度;
  • 2.5ms-----------180度;

这只是一种参考数值,具体的参数,请参见舵机的技术参数。小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V。(实际中为了加快舵机的响应,我们会使用稍微大一点的电压)
假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时,舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应,就需要更高的转速了。要精确的控制舵机,其实没有那么容易,很多舵机的位置等级有1024个,那么,如果舵机的有效角度范围为180度的话,其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了,从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机,连控制精度为1度都达不到的话,而且还看到舵机在发抖。在这种情况下,只要舵机的电压没有抖动,那抖动的就是你的控制脉冲了。

控制的实现:

在我们实际控制中在,主要是通过单片机产生脉冲信号来控制舵机的,这个信号是怎么产生的呢?是利用单片机产生PWM脉冲信号,我们可以通过代码调整来实现输出一定频率的脉冲信号,通过改变高电平持续的占比(也就是占空比)来实现对舵机转动的容易位置的控制。

摘录部分K60代码如下:

/*初始化FTM*/
ftm_pwm_init(FTM1, FTM_CH1,50, 700);    
////这里的第一个参数是使用的FTM模块号,第二个参数是通道号,
//第三个参数是我们配置的脉冲频率,这里是50hz
//第四个参数是我们设置的占空比分子值。

/*设置占空比*/
 ftm_pwm_duty(FTM1, FTM_CH1, 700);  //舵机转向
//这里第三个参数就是我们调节的占空比的分子值,这个数值不同的值可以控制舵机转到不同的角度。

当然上面这个只是简单的调用函数配置的,实际设计中我们还需要去了解的单片机怎么产生PWM脉冲的,而不是像上面一样直接调用

其他可能需要了解的基础知识:
舵机的规格和选型

当今使用的舵机有模拟舵机和数字舵机之分,不过数字舵机还
是相对较少。下面的技术规格同时适用与两种舵机。
舵机的规格主要有几个方面:转速、转矩、电压、尺寸、重量 、材料等。我们在做舵
机的选型时要对以上几个方面进行综合考虑。

转速

转速由舵机无负载的情况下转过 60°角所需时间来衡量,常见舵机的速度一般在
0.11/60°~0.21S/60°之间。

转矩

舵机扭矩的单位是 KG·CM,这是一个扭矩单位。可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水
平距离 1CM 处,舵机能够带动的物体重量。

电压

厂商提供的速度、转矩数据和测试电压有关,在 4.8V 和 6V 两种测试电压下这两个参
数有比较大的差别。如 Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg、速度为 0.22 秒,在 6.0V 时
扭力为 5.2kg、速度为 0.18 秒。若无特别注明,JR 的舵机都是以 4.8V 为测试电压,Futaba
则是以 6.0V 作为测试电压。舵机的工作电压对性能有重大的影响,舵机推荐的电压一般都是 4.8V 或 6V。当然,有的舵机可以在 7V 以上工作,比如 12V 的舵机也不少。较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。选择舵机还需要看我们的控制卡所能提供的电压。

尺寸、重量和材质

舵机的功率(速度×转矩)和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度,一般同样
品牌的舵机,功率密度大的价格高。
塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿,金属齿轮的舵机则可能会电
机过热损毁或外壳变形。所以材质的选择并没有绝对的倾向,关键是将舵机使用在设计规格
之内。
用户一般都对金属制的物品比较信赖,齿轮箱期望选择全金属的,舵盘期望选择金属舵
盘。但需要注意的是,金属齿轮箱在长时间过载下也不会损毁,最后确是电机过热损坏或外
壳变形,而这样的损坏是致命的,不可修复的。塑料出轴的舵机如果使用金属舵盘是很危险
的,舵盘和舵机轴在相互扭转过程中,金属舵盘不会磨损,舵机轴会在一段时间后变得光秃,
导致舵机完全不能使用。

综上,选择舵机需要在计算自己所需扭矩和速度,并确定使用电压的条件下,选择有
150%左右甚至更大扭矩富余的舵机。

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