標題: 舵機簡介及其單片機控制方法 [打印本頁]
作者: 51黑tt    時間: 2016-3-5 04:15
標題: 舵機簡介及其單片機控制方法
本帖最后由 51黑tt 于 2016-3-5 04:16 編輯

由于rock向本人提出希望了解有關舵機的知識，現(xiàn)將本人在航空模型運動中和機器人制作中積累的一點點經(jīng)驗寫出來，奉獻給大家，希望本文能起到拋磚引玉的作用。但由于時間倉促，難免有不正確的地方，熱情歡迎大家批評指教。

1、概述
舵機最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。舉個簡單的四通飛機來說，飛機上有以下幾個地方需要控制：
1.發(fā)動機進氣量，來控制發(fā)動機的拉力（或推力）；
2.副翼舵面（安裝在飛機機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動；
3.水平尾舵面，用來控制飛機的俯仰角；
4.垂直尾舵面，用來控制飛機的偏航角；
遙控器有四個通道，分別對應四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉(zhuǎn)動，從而改變飛機的運動狀態(tài)。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。
不僅在航模飛機中，在其他的模型運動中都可以看到它的應用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn)。

2、結(jié)構(gòu)和控制
一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k、直流電機、控制電路板等。
工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號（具體信號待會再講），控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達到目標停止。
舵機的基本結(jié)構(gòu)是這樣，但實現(xiàn)起來有很多種。例如電機就有有刷和無刷之分，齒輪有塑料和金屬之分，輸出軸有滑動和滾動之分，殼體有塑料和鋁合金之分，速度有快速和慢速之分，體積有大中小三種之分等等，組合不同，價格也千差萬別。例如，其中小舵機一般稱作微舵，同種材料的條件下是中型的一倍多，金屬齒輪是塑料齒輪的一倍多。需要根據(jù)需要選用不同類型。
舵機的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應不同的轉(zhuǎn)矩標準，即輸出力矩不同，6.0V對應的要大一些，具體看應用條件；另外一根線是控制信號線，F(xiàn)utaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點，SANWA的某些型號的舵機引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。
舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當中。比方說機器人的關節(jié)、飛機的舵面等。
常見的舵機廠家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，國產(chǎn)的有北京的新幻想、吉林的振華等�，F(xiàn)舉Futaba S3003來介紹相關參數(shù)，以供大家設計時選用。之所以用3003是因為這個型號是市場上最常見的，也是價格相對較便宜的一種（以下數(shù)據(jù)摘自Futaba產(chǎn)品手冊）。
尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm
重 量(Weight)： 37.2 g
工作速度(Operating speed)：0.23 sec/60°(4.8V)
0.19 sec/60°(6.0V)
輸出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V)
4.1 kg.cm (6.0V)

由此可見，舵機具有以下一些特點：
>體積緊湊，便于安裝；
>輸出力矩大，穩(wěn)定性好；
>控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口；
正是因為舵機有很多優(yōu)點，所以，現(xiàn)在不僅僅應用在航模運動中，已經(jīng)擴展到各種機電產(chǎn)品中來，在機器人控制中應用也越來越廣泛。

3、用單片機來控制
正是舵機的控制信號是一個脈寬調(diào)制信號，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進行接口。只要能產(chǎn)生標準的控制信號的數(shù)字設備都可以用來控制舵機，比方PLC、單片機等。這里介紹利用51系列單片機產(chǎn)生舵機的控制信號來進行控制的方法，編程語言為C51。之所以介紹這種方法只是因為筆者用2051實現(xiàn)過，本著負責的態(tài)度，所以敢在這里寫出來。程序用的是我的四足步行機器人，有刪改。單片機并不是控制舵機的最好的方法，希望在此能起到拋磚引玉的作用。
2051有兩個16位的內(nèi)部計數(shù)器，我們就用它來產(chǎn)生周期20 ms的脈沖信號，根據(jù)需要，改變輸出脈寬�；舅悸啡缦拢ㄕ垖φ障旅娴某绦颍�
我用的晶振頻率為12M，2051一個時鐘周期為12個晶振周期，正好是1/1000 ms，計數(shù)器每隔1/1000 ms計一次數(shù)。以計數(shù)器1為例，先設定脈寬的初始值，程序中初始為1.5ms，在for循環(huán)中可以隨時通過改變a值來改變，然后設定計數(shù)器計數(shù)初始值為a，并置輸出p12為高位。當計數(shù)結(jié)束時，觸發(fā)計數(shù)器溢出中斷函數(shù)，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函數(shù)中，改變輸出p12為反相（此時跳為低位），在用20000（代表20ms周期）減去高位用的時間a，就是本周期中低位的時間，c=20000-a，并設定此時的計數(shù)器初值為c，直到定時器再次產(chǎn)生溢出中斷，重復上一過程。


# include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

uint a,b,c,d;

sbit p12=P1^2;
sbit p13=p1^3;
sbit p37=P3^7;

void timer0(void) interrupt 1 using 1
{p12=!p12;
c=20000-c;
TH0=-(c/256); TL0=-(c%256);
if(c>=500&&c<=2500)c=a;
else c=20000-a;
}


void timer1(void) interrupt 3 using 1
{p13=!p13;
d=20000-d;
TH1=-(d/256); TL1=-(d%256);
if(d>=500&&d<=2500)d=b;
else d=20000-b;
}


void main(void)
{TMOD=0x11;
p12=1;
p13=1;
a=1500;
b=1500;
c=a;d=b;
TH0=-(a/256); TL0=-(a%256);
TH1=-(b/256); TL1=-(b%256);
EA=1;
ET0=1; TR0=1;EX0=1;EX1=1;
ET1=1; TR1=1;
PX0=0;PX1=0;PT1=1;PT0=1;
for(;;)
{

}
}

因為在脈沖信號的輸出是靠定時器的溢出中斷函數(shù)來處理，時間很短，因此在精度要求不高的場合可以忽略。因此如果忽略中斷時間，從另一個角度來講就是主程序和脈沖輸出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改變a值，例如讓a從500變化到2500，就可以讓舵機從0度變化到180度。另外要記住一點，舵機的轉(zhuǎn)動需要時間的，因此，程序中a值的變化不能太快，不然舵機跟不上程序。根據(jù)需要，選擇合適的延時，用一個a遞增循環(huán)，可以讓舵機很流暢的轉(zhuǎn)動，而不會產(chǎn)生像步進電機一樣的脈動。這些還需要實踐中具體體會。

舵機的速度決定于你給它的信號脈寬的變化速度。舉個例子，t＝0試，脈寬為0.5ms，t＝1s時，脈寬為1.0ms，那么，舵機就會從0.5ms對應的位置轉(zhuǎn)到1.0ms對應的位置，那么轉(zhuǎn)動速度如何呢？一般來講，3003的最大轉(zhuǎn)動速度在4.8V時為0.23s/60度，也就是說，如果你要求的速度比這個快的話，舵機就反應不過來了；如果要求速度比這個慢，可以將脈寬變化值線性到你要求的時間內(nèi)，做一個循環(huán)，一點一點的增加脈寬值，就可以控制舵機的速度了。當然，具體這一點一點到底是多少，就需要做試驗了，不然的話，不合適的話，舵機就會向步進電機一樣一跳一跳的轉(zhuǎn)動了，嘗試改變這“一點”，使你的舵機運動更平滑。還有一點很重要，就是舵機在每一次脈寬值改變的時候總會有一個轉(zhuǎn)速由零增加再減速為零的過程，這就是舵機會產(chǎn)生像步進電機一樣運動的原因。
請問一下，舵機轉(zhuǎn)動速度是如何控制的?

作者: keil    時間: 2016-11-6 20:01
好帖�。。。。。。。。。。�！
作者: hello_51    時間: 2018-4-4 10:53
優(yōu)質(zhì)帖
作者: whengfu    時間: 2019-4-14 00:37
講的很詳細，收藏了，謝謝樓主
作者: 阿鎏尼克    時間: 2019-4-24 21:11
學習了。
作者: ztzp    時間: 2020-1-5 22:09
謝謝，講得很詳細，找時間做一個試試。
作者: 好又快維修部    時間: 2021-3-18 17:04
好貼收藏了，謝謝



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