伺服电机：基础知识和工作

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图 1：常用伺服电机图片

什么是伺服电机？

伺服是指用于校正系统性能的误差传感反馈控制。伺服或 RC伺服电机是配备伺服机构的直流电机，可精确控制角度位置。RC 伺服电机通常具有 90° 至 180° 的旋转限制。一些舵机还具有 360° 或更多的旋转限制。但是舵机不会连续旋转。它们的旋转被限制在固定角度之间。

伺服器用在什么地方？

伺服电机用于精确定位。它们用于机器人手臂和腿、传感器扫描仪以及遥控直升机、飞机和汽车等遥控玩具。

图 2： 用于遥控直升机的伺服电机

图 3： 飞机上使用的伺服电机

图 4： 机械臂中伺服电机

伺服电机制造商

伺服马达有四大厂商：Futaba、Hitec、Airtronics和JR radio。Futaba 和 Hitec伺服系统如今占据了市场主导地位。它们的伺服系统是相同的，除了一些接口差异，如电线颜色、连接器类型、花键等。

图 5： 伺服电机制造商

伺服电机接线和插头

伺服电机带有三根电线或引线。其中两根电线为伺服直流电机提供接地和正电源。第三根线用于控制信号。伺服电机的这些电线采用颜色编码。红线是直流电源线，必须连接到 4.8 V 至 6V 范围内的直流电源。黑线用于接地。第三根线（提供控制信号）的颜色因制造商而异。它可以是黄色（如果是 Hitec）、白色（如果是 Futaba）、棕色等。

Futaba 提供带有额外法兰的 J 型插头，用于正确连接舵机。Hitec 有一个 S 型连接器。通过夹住额外的法兰，Futaba 连接器可以与 Hitec 伺服一起使用。此外，Hitec 连接器可以与 Futaba 伺服系统一起使用，只需锉掉额外的宽度，使其能够很好地安装。

Hitec 花键有 24 个齿，而 Futaba 花键有 25 个齿。因此，为一种伺服类型制作的花键不能用于另一种伺服类型。花键是连接伺服臂的地方。它类似于普通直流电机的轴。

图 6： 伺服电机中花键和臂

与直流电机不同，反转接地和正电源连接不会改变伺服的（旋转）方向。事实上，这可能会损坏伺服电机。这就是为什么正确考虑伺服电机中电线的顺序很重要的原因。

伺服电机控制

通过在控制线上发送 PWM（脉冲宽度调制）信号，可以将伺服电机移动到所需的角度位置。伺服理解脉冲位置调制的语言。在重复的时间范围内，宽度从 1 毫秒到 2 毫秒不等的脉冲被发送到伺服系统，每秒发送大约 50 次。脉冲宽度决定角位置。

例如，1 毫秒的脉冲将伺服器移向 0°，而 2 毫秒宽的脉冲会将其移至 180°。可以相应地内插角度位置之间的脉冲宽度。因此，宽度为 1.5 毫秒的脉冲将使伺服器移动到 90°。

必须注意，这些值只是近似值。舵机的实际行为因制造商而异。

需要将一系列这样的脉冲（一秒内 50 个）传递给伺服系统以维持特定的角度位置。当伺服器接收到一个脉冲时，它可以在接下来的 20 毫秒内保持相应的角度位置。因此，每 20 毫秒时间帧中的一个脉冲必须馈送到伺服系统。

图 7： 使用 PWM 波显示伺服电机角旋转

伺服电机内部

图 8： 典型伺服电机内部零件

伺服电机主要由直流电机、齿轮系统、位置传感器（主要是电位器）和控制电子设备组成。

图 9： 伺服电机主要部件

直流电机与齿轮机构相连，该齿轮机构向主要是电位器的位置传感器提供反馈。从齿轮箱，电机的输出通过伺服花键传递到伺服臂。电位计根据电机的当前位置改变位置。因此，电阻的变化会从电位计产生等效的电压变化。脉冲宽度调制信号通过控制线馈送。脉冲宽度被转换成等效电压，与误差放大器中来自电位器的信号进行比较。

图 10： 伺服电机不同功能的简单框图

差异信号被放大并提供给直流电机。因此，施加到直流伺服电机的信号是一个阻尼波，它会随着电机到达所需位置而减弱。

图 11： 在伺服电机中使用 PWM 波生成控制信号

当脉冲序列指示的目标位置与当前位置之间的差异较大时，电机会快速移动。当相同的差异较小时，电机移动缓慢。

用于控制伺服电机所需的脉冲序列可以由定时器 IC（例如555）生成，或者可以对微控制器进行编程以生成所需的波形。参考 Servo Motor interface with 8051 microcontroller and Servo control using AVR ATmega16。

伺服电源及选型

伺服电源

伺服需要 4.8 V 至 6 V 的直流电源。对于特定的伺服，其额定电压作为制造商的规格之一给出。直流电源可以通过电池或稳压器提供。电池电压必须接近舵机的工作电压。这将减少作为热辐射的功率浪费。开关稳压器可用作电源以提高电源效率。在 Insight about servo motor 上通过独家图片了解有关伺服电机工作的更多信息。

舵机的选择

伺服电机的典型规格有扭矩、速度、重量、尺寸、电机类型和轴承类型。电机类型可以是 3 极或 5 极。磁极是指与电磁铁相连的永磁体。5 极伺服器优于 3 极电机，因为它们提供更好的扭矩。

伺服系统制造时具有不同的扭矩和速度额定值。扭矩是电机驱动伺服臂施加的力。速度是估计伺服系统到达某个位置的速度的量度。制造商可能会在不同型号中折衷扭矩与速度或速度与扭矩之间的关系。必须优先选择扭矩更好的舵机。

重量和尺寸与扭矩成正比。显然，具有更大扭矩的舵机也将具有更大的尺寸和重量。可以根据应用的扭矩和速度要求来选择伺服。重量和尺寸在优化选择方面也可能起着至关重要的作用，例如当需要伺服系统来制造遥控飞机或直升机时。

可查看厂商网站获取不同型号舵机的详细信息。也可以参考他们的产品目录。Futaba 等一些制造商还提供在线计算器来选择舵机。

噪声和修改

干扰和噪声信号

PWM 信号由控制线提供给舵机。来自周围电子设备或其他伺服系统的噪声或干扰信号会导致位置误差。为了消除这个问题，控制信号在放大后提供。这将抑制噪声和干扰信号。

全旋转的伺服修改

一个人可能想将伺服用于他的机器人应用，并希望连续移动伺服。这可以通过一点修改来实现。伺服齿轮箱有一个机械挡块，避免伺服完全旋转。锉掉机械挡块，使齿轮箱可以自由旋转一整圈。

图 12： 全旋转伺服电机中机械停止装置

但这不是唯一足够的东西。伺服在反馈机制上工作。所以舵机的锅必须先移到中心位置。这可以通过微控制器向伺服系统发送介质脉冲来完成。然后用胶水固定附在锅轴上的齿轮。这会给舵机的控制电子设备留下当前位置是中间点的印象。因此，伺服系统将相对于中间位置而不是当前位置移动。