舵机：执行器之王；一起了解一下机器人制作必备的神器

chzhmichzhmi 2021-05-21

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创客领域中，舵机是最常用的执行器之一。舵机（英文：Servo）是一种伺服电机，能够旋转固定的角度，固定的位置。它是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机一般只能旋转180度，当然也有360度，与普通直流电机的区别主要在于，直流电机是一圈圈转动的，舵机只能在一定角度内转动，不能一圈圈连续转。普通直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以。因此，舵机适用于那些需要角度不断变化并可以保持稳定的控制系统，比如人形机器人的手臂和腿，车模和航模的方向控制。舵机的控制信号实际上是一个脉冲宽度调制信号( PWM信号)，该信号可由FP-GA器件、模拟电路或单片机产生。

舵机和机械手臂

舵机的结构和原理：

舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等。

舵机中有一个电位计（角度传感器）可以检测输出轴转动角度。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。

工作流程为：

控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

舵机的接线

舵机采用上线接线法。电源线（+5V，红色），地线（GND棕色）和PWM控制线（黄色）。

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，总间隔为2ms。脉冲的宽度将决定马达转动的距离。例如：1.5毫秒的脉冲，电机将转向90度的位置（通常称为中立位置，对于180°舵机来说，就是90°位置）。如果脉冲宽度小于1.5毫秒，那么电机轴向朝向0度方向。如果脉冲宽度大于1.5毫秒，轴向就朝向180度方向。以180度舵机为例，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；

Arduino驱动舵机实验

下面我们就用Arduino UNO驱动一个舵机，每隔一段时间旋转固定角度。

硬件设备：

Arduino UNO控制器 × 1
9g舵机 × 1
电源 × 1

接线：

舵机电流较大，建议单独5V供电，信号线接Arduino UNO 数字3引脚，舵机和单片机共地。

程序：

Arduino有专门驱动舵机的库Servo.h，导入后就可以轻松驱动舵机了。

#include <Servo.h>Servo myservo;  // 创建舵机int deg = 30;   //设定角度值void setup(){   myservo.attach(3);  // 舵机1接口3   myservo.write(deg);  // 初始角度}void loop() {  deg = 50;  myservo.write(deg);  // 旋转到50度  delay(1000);            // 延迟i秒    deg = 110;  myservo.write(deg);   // 旋转到110度  delay(1000);       // 延迟i秒                }

舵机的选择

数字舵机和模拟舵机：

两者在基本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。数字舵机与模拟舵机的不同主要体现在以下两个方面：

1.处理接收机的输入信号的方式，数字舵机只需发送1次PWM信号就能保持在规定的某个位置，而模拟舵机是需要多次发送PWM信号才能够保持在规定的位置上，实现对舵机的控制，按照规定的要求进行的速度进行转动。

2.控制舵机马达初始电流的方式，数字舵机减少无反应区(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。

模拟舵机的1个“缺点”

假设一个短促的动力脉冲，紧接着很长的停顿，并不能给马达施加多少激励，使其转动。这意味着如果有一个比较小的控制动作，舵机就会发送很小的初始脉冲到马达，这是非常低效率的。这也是为什么模拟舵机有“无反应区”的存在。比如说，舵机对于发射机的细小动作，反应非常迟钝，或者根本就没有反应。

数字舵机的2个“优势”

1、数字舵机是新型时代出现的舵机，因此数字在反应速度方面与模拟舵机相比是有优势的。因为微处理器的关系，数字舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前，对输入的信号根据设定的参数进行处理。这意味着动力脉冲的宽度，就是说激励马达的动力，可以根据微处理器的程序运算而调整，以适应不同的功能要求，并优化舵机的性能。

2、数字舵机以高得多的频率向马达发送动力脉冲。就是说，相对于传统的50脉冲/秒，现在是300脉冲/秒。虽然，因为频率高的关系，每个动力脉冲的宽度被减小了，但马达在同一时间里收到更多的激励信号，并转动得更快。这也意味着不仅仅舵机马达以更高的频率响应发射机的信号，而且“无反应区”变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；数字舵机能提供更高的精度和更好的固定力量。

常用的舵机：

SG90 9g舵机：