舵機(jī)控制原理

ID:583045 · 發(fā)表于 2019-7-18 16:06

　舵機(jī)，是指在自動(dòng)駕駛儀中操縱飛機(jī)舵面（操縱面）轉(zhuǎn)動(dòng)的一種執(zhí)行部件。分有：①電動(dòng)舵機(jī)，由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件和離合器組成。接受自動(dòng)駕駛儀的指令信號(hào)而工作，當(dāng)人工駕駛飛機(jī)時(shí)，由于離合器保持脫開(kāi)而傳動(dòng)部件不發(fā)生作用。②液壓舵機(jī)，由液壓作動(dòng)器和旁通活門(mén)組成。當(dāng)人工駕駛飛機(jī)時(shí)，旁通活門(mén)打開(kāi)，由于作動(dòng)器活塞兩邊的液壓互相連通而不妨害人工操縱。此外，還有電動(dòng)液壓舵機(jī)，簡(jiǎn)稱“電液舵機(jī)”。

　　舵機(jī)的大小由外舾裝按照船級(jí)社的規(guī)范決定，選型時(shí)主要考慮扭矩大小。如何審慎地選擇經(jīng)濟(jì)且合乎需求的舵機(jī)，也是一門(mén)不可輕忽的學(xué)問(wèn)。本文首先介紹了舵機(jī)工作原理，其次闡述了舵機(jī)控制原理及舵機(jī)的追隨特性，最后介紹了舵機(jī)的控制方法和舵機(jī)對(duì)速度的控制。

　　舵機(jī)工作原理

　　舵機(jī)的伺服系統(tǒng)由可變寬度的脈沖來(lái)進(jìn)行控制，控制線是用來(lái)傳送脈沖的。脈沖的參數(shù)有最小值，最大值，和頻率。一般而言，舵機(jī)的基準(zhǔn)信號(hào)都是周期為20ms，寬度為1.5ms。這個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)定義的位置為中間位置。舵機(jī)有最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，中間位置的定義就是從這個(gè)位置到最大角度與最小角度的量完全一樣。最重要的一點(diǎn)是，不同舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度可能不相同，但是其中間位置的脈沖寬度是一定的，那就是1.5ms。如下圖：

　　角度是由來(lái)自控制線的持續(xù)的脈沖所產(chǎn)生。這種控制方法叫做脈沖調(diào)制。脈沖的長(zhǎng)短決定舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)多大角度。例如：1.5毫秒脈沖會(huì)到轉(zhuǎn)動(dòng)到中間位置（對(duì)于180°舵機(jī)來(lái)說(shuō)，就是90°位置）。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，讓舵機(jī)移動(dòng)到某一位置，并讓他保持這個(gè)角度，這時(shí)外力的影響不會(huì)讓他角度產(chǎn)生變化，但是這個(gè)是由上限的，上限就是他的最大扭力。除非控制系統(tǒng)不停的發(fā)出脈沖穩(wěn)定舵機(jī)的角度，舵機(jī)的角度不會(huì)一直不變。

　　當(dāng)舵機(jī)接收到一個(gè)小于1.5ms的脈沖，輸出軸會(huì)以中間位置為標(biāo)準(zhǔn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。接收到的脈沖大于1.5ms情況相反。不同品牌，甚至同一品牌的不同舵機(jī)，都會(huì)有不同的最大值和最小值。一般而言，最小脈沖為1ms，最大脈沖為2ms。如下圖：

　　舵機(jī)控制原理

　　控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

　　0.5ms--------------0度；

　　1.0ms------------45度；

　　1.5ms------------90度；

　　2.0ms-----------135度；

　　2.5ms-----------180度；

　　舵機(jī)的追隨特性

　　假設(shè)現(xiàn)在舵機(jī)穩(wěn)定在A點(diǎn)，這時(shí)候CPU發(fā)出一個(gè)PWM信號(hào)，舵機(jī)全速由A點(diǎn)轉(zhuǎn)向B點(diǎn)，在這個(gè)過(guò)程中需要一段時(shí)間，舵機(jī)才能運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。

　　保持時(shí)間為T(mén)ｗ

　　當(dāng)Tｗ≥△T時(shí)，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時(shí)間；

　　當(dāng)Tｗ≤△T時(shí)，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；

　　理論上：當(dāng)Tｗ=△T時(shí)，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。

　　實(shí)際過(guò)程中ｗ不盡相同，連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T比較難以計(jì)算出來(lái)。

　　當(dāng)PWM信號(hào)以最小變化量即（1DIV=8us）依次變化時(shí)，舵機(jī)的分辨率最高，但是速度會(huì)減慢。

　　舵機(jī)的控制方法

　　舵機(jī)一般用單片機(jī)或者數(shù)字電路控制。舵機(jī)工作主要跟控制線的高電平持續(xù)時(shí)間有關(guān)系，一般按0.5ms（毫秒）劃分，如果持續(xù)時(shí)間為0.5ms，1ms，1.5ms，2ms，2.5ms時(shí)，舵機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)不同的角度。

　　舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms~2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是為：脈沖設(shè)置為 0.5ms旋轉(zhuǎn)角度為0度；脈沖設(shè)置為 1.0ms旋轉(zhuǎn)角度為45度；脈沖設(shè)置為 1.5ms旋轉(zhuǎn)角度為90度；脈沖設(shè)置為 2.0ms旋轉(zhuǎn)角度為135度；脈沖設(shè)置為 2.5ms旋轉(zhuǎn)角度為180度。

　　舵機(jī)的速度控制

　　對(duì)于180度舵機(jī)：

　　舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度取決于起始角度和目標(biāo)角度的差，差別越大轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)接近時(shí)就放慢角度。所以沒(méi)有專門(mén)的函數(shù)控制轉(zhuǎn)速。但在大角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，你可以用程序把它設(shè)成幾個(gè)小角度遞進(jìn)，這樣可以放慢速度。也通過(guò)delay進(jìn)行慢速，但快速的話只有加高電壓了。

　　對(duì)于360度舵機(jī)：

　　write（）或者writeMicroseconds（）的參數(shù)決定舵機(jī)的速度，但也可以通過(guò)delay（）或者delayMicroseconds（）來(lái)減速。

ID:586816 · 發(fā)表于 2019-7-19 14:47

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