[机械臂运动学系列]机械臂及其笛卡尔坐标正逆解算（一）舵机-3

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。

其工作原理是：
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。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。

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，转速也不是很快，一般为0.22/60度或0.18/60度，所以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。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。一些前辈喜欢用555来调舵机的驱动脉冲，如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的，可以多用几个开关引些电阻出来调占空比，这么做简单吗，应该不会啦，调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。其实主要还是他那个年代，单片机这东西不流行呀，哪里会哟！

使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。听说AVR也有控制32个舵机的试验板，不过精度能不能达到2微秒可能还是要测试才知道了。其实测试起来很简单，你只需要将其控制信号与示波器连接，然后让试验板输出的舵机控制信号以2微秒的宽度递增。

舵机驱动的应用场合：

     1.    高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真实的驾车体验.

     2.    多自由度机器人设计,为什么日本人设计的机器人可以上万RMB的出售,而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题.

     3.    多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等

传统舵机、数字舵机与纯数字舵机

传统舵机的控制方式以20ms 为一个周期，用一个1.5ms±1ms 的脉冲来控制舵机的角度变化，随着以CPU 为主的数字革命的兴起，现在的舵机已成为模拟舵机和数字舵机并存的局面，但即使是现在的数字舵机，其控制接口也还是传统的1.5ms±1ms 的模拟控制接口，只是控制芯片不再是普通的模拟芯片而已；不能完全发挥现代数字化控制的优势，这在传统的遥控竞赛等领域，为了保持产品的兼容性，不得不保留模拟接口，而在一些新兴的领域完全可以采用新型的全数字接口的纯数字舵机。纯数字舵机采用全新的单线双工通讯协议，不仅能执行普通舵机的全部功能，还可以作为一个角度传感器，监测舵机的实际位置，而且可以多个舵机并联互不影响。在未来的自动化控制领域有着不可估量的优势。采用纯数字舵机构建的自动化控制系统，不仅可以大幅提升系统性能，而且可以降低系统的生产维护成本，提高产品性价比，增强市场竞争力。

简单认识数字舵机：

一个数十元的伺服器与数百元的伺服器在外表上并没有多大的分别，但是数字化舵机比上一代传统的普通舵机有更快的反应、更精确以及更为紧凑的效率。

为何数字是较佳的?

一个数字化的舵机内置了微型的处理器，这正是数字舵机优点所在。这个微型处理器可以因应所接收的信号而作出指令，至於传统的舵机则经常只是检查自己的位置是否正确并作出更正。传统的舵机将指令的动作传至输出轴，指令是来自接收器的脉冲，每秒中约有四十至五十次的调整。但是数字化舵机的输出轴每秒约有三百次的调整，足足较传统的伺服器，快了六倍之多·这也表示了数字舵机调整输出轴的位置较传统的达六倍之多，所以它肯定是较传统的舵机有更快的反应。这个快速的更正也可以让你感觉到舵机是较为“强”的、如果你尝试去扭动已启动的数字舵机输出臂离开指令位置的话的话，你会发觉它有更强的能力去保持原来的位置，这也是由於舵机非常迅速地为输出轴的位置作出更正调节。这正适合模型需要强大的回中能力。传统的舵机要在偏离原来指定的位置较远才能发挥较大的扭力，相反地，数字舵机的输出轴只要略偏离指令的位置便能够发挥最大的扭力，所以它能够提供较大的动力以及更为精确。当你启动了数字舵机之後，它会发觉他不断发出齿轮的声音，这表示了它正在努力地去将输出轴维持在命令的位置。
数字舵机不能与普通舵机混合使用

在更换舵机的时候请注意,如果你的直升机或飞机使用的是普通舵机,那么在更换其中某个舵机的时候,不能将普通舵机与数字舵机混合使用.要么全部使用普通舵机,要么全部使用数字舵机。

舵机的性能及安装

舵机是遥控模型无线电操纵系统中很重要的部件。如果不了解它的性能，不讲究正确的安装方法，轻则影响模型的飞行姿态，重则如果卡住模型则无法操纵，造成事故的发生。所以，在使用舵机前，了解它的性能和安装方法是必要的。
日前市场上出售的模型舵机，主要是比例式的，类型有普通型、超小型，强力型和特殊用途型等几种。下面分别介绍一下它们各自的性能。

普通型：
45克，0．2秒／60度，力矩3千克·厘米。这种舵机各方面性能都比较适中，一般用在尺寸不是很大的模型上。

超小型：
20克，0．15秒／60度，力矩2千克·厘米。它的体积小、重量轻，输出力矩小，通常用于小尺寸、舵面阻力相对小的模型上。

强力型：
100克，0．2秒／60度，力矩9千克·厘米。这种舵机输出力矩大，可以克服高速、大舵面带来的阻力大的缺点。主要用于尺寸和飞行重量大，速度快，舵面阻力大的模型。

特殊用途型:
多数特殊用途的舵机，其性能与强力型相似。通常用于专项任务，如收索机(帆船)、起落架蛇机等。另外，还有—些耐高温和可防水的舵机，主要用于科学研究和工业方面，一般模型很少采用，但近年来这种舵机随着模型产品的发展在民用模型领域发展迅速。

—般的舵机内部的电路和齿轮等零什都是很精细的，自己较难制作，多采用成品舵机。日产成品舵机品质较好，剩余功率大，不易打齿、比较耐用。国产舵机质量有的也不错。安装舵机也很重要，安装方法主要有三种：

(1)用胶直接把舵机粘在模型上。要求帖接技术较高，不能更换， 通常用于一些简单模型。

(2)对好舵机两边的安装孔，用螺钉固定。这种方法的好处是容易更换。

(3)利用配套的固定片及减震片固定。对于装大容积内燃机的模型，为了减少振动对舵机的损害，多采用这种方法。
舵机的安装位置应尽量靠近模型的重心。有条件时，舵机和接收机应尽量分别使用电源。电源电压不足时，应立即更换，以免舵机操纵失灵导致空中停机。舵机输出盘(摇臂)不同的角度和力臂孔，应尽量选择力臂大的，这样可以减小舵机负荷。输出盘与舵面，可以专用联杆或钢丝连接，前者效果较好

最后说明一下，对于—些电动模型的动力电机控制，原来用一个舵机作开关，但作用不大，后来有些人用直接粘一个电位器的办法来对电机进行无级操纵。现在，有些厂家已生产出成品的无级变速器（现在叫电调）， 直接插在一个通道中，对电机进行加、减速等无级控制，既轻巧，又经济。不过，为了考虑车、船模使用，变速器有顺、逆转功能，而在航模上只允许用顺转功能。因此，用在航模上时，最好请专人对它的电路进行一下改装，防止操纵失误。变速器最好单用一组动力电源，如果同时使用接一电源，将会影响接收机的工作。