伺服電機(jī)：基礎(chǔ)知識(shí)和工作

圖 1：常用伺服電機(jī)圖片

伺服是指用于校正系統(tǒng)性能的誤差傳感反饋控制。伺服或 RC伺服電機(jī)是配備伺服機(jī)構(gòu)的直流電機(jī)，可精確控制角度位置。RC 伺服電機(jī)通常具有 90° 至 180° 的旋轉(zhuǎn)限制。一些舵機(jī)還具有 360° 或更多的旋轉(zhuǎn)限制。但是舵機(jī)不會(huì)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。它們的旋轉(zhuǎn)被限制在固定角度之間。

伺服電機(jī)用于精確定位。它們用于機(jī)器人手臂和腿、傳感器掃描儀以及遙控直升機(jī)、飛機(jī)和汽車等遙控玩具。

圖 2： 用于遙控直升機(jī)的伺服電機(jī)

圖 3： 飛機(jī)上使用的伺服電機(jī)

圖 4： 機(jī)械臂中伺服電機(jī)

伺服馬達(dá)有四大廠商：Futaba、Hitec、Airtronics和JR radio。Futaba 和 Hitec伺服系統(tǒng)如今占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)地位。它們的伺服系統(tǒng)是相同的，除了一些接口差異，如電線顏色、連接器類型、花鍵等。

圖 5： 伺服電機(jī)制造商

伺服電機(jī)帶有三根電線或引線。其中兩根電線為伺服直流電機(jī)提供接地和正電源。第三根線用于控制信號(hào)。伺服電機(jī)的這些電線采用顏色編碼。紅線是直流電源線，必須連接到 4.8 V 至 6V 范圍內(nèi)的直流電源。黑線用于接地。第三根線（提供控制信號(hào)）的顏色因制造商而異。它可以是黃色（如果是 Hitec）、白色（如果是 Futaba）、棕色等。

Futaba 提供帶有額外法蘭的 J 型插頭，用于正確連接舵機(jī)。Hitec 有一個(gè) S 型連接器。通過夾住額外的法蘭，F(xiàn)utaba 連接器可以與 Hitec 伺服一起使用。此外，Hitec 連接器可以與 Futaba 伺服系統(tǒng)一起使用，只需銼掉額外的寬度，使其能夠很好地安裝。

Hitec 花鍵有 24 個(gè)齒，而 Futaba 花鍵有 25 個(gè)齒。因此，為一種伺服類型制作的花鍵不能用于另一種伺服類型?；ㄦI是連接伺服臂的地方。它類似于普通直流電機(jī)的軸。

圖 6： 伺服電機(jī)中花鍵和臂

與直流電機(jī)不同，反轉(zhuǎn)接地和正電源連接不會(huì)改變伺服的（旋轉(zhuǎn)）方向。事實(shí)上，這可能會(huì)損壞伺服電機(jī)。這就是為什么正確考慮伺服電機(jī)中電線的順序很重要的原因。

通過在控制線上發(fā)送 PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)，可以將伺服電機(jī)移動(dòng)到所需的角度位置。伺服理解脈沖位置調(diào)制的語言。在重復(fù)的時(shí)間范圍內(nèi)，寬度從 1 毫秒到 2 毫秒不等的脈沖被發(fā)送到伺服系統(tǒng)，每秒發(fā)送大約 50 次。脈沖寬度決定角位置。

例如，1 毫秒的脈沖將伺服器移向 0°，而 2 毫秒寬的脈沖會(huì)將其移至 180°?？梢韵鄳?yīng)地內(nèi)插角度位置之間的脈沖寬度。因此，寬度為 1.5 毫秒的脈沖將使伺服器移動(dòng)到 90°。

必須注意，這些值只是近似值。舵機(jī)的實(shí)際行為因制造商而異。

需要將一系列這樣的脈沖（一秒內(nèi) 50 個(gè)）傳遞給伺服系統(tǒng)以維持特定的角度位置。當(dāng)伺服器接收到一個(gè)脈沖時(shí)，它可以在接下來的 20 毫秒內(nèi)保持相應(yīng)的角度位置。因此，每 20 毫秒時(shí)間幀中的一個(gè)脈沖必須饋送到伺服系統(tǒng)。

圖 7： 使用 PWM 波顯示伺服電機(jī)角旋轉(zhuǎn)

圖 8： 典型伺服電機(jī)內(nèi)部零件

伺服電機(jī)主要由直流電機(jī)、齒輪系統(tǒng)、位置傳感器（主要是電位器）和控制電子設(shè)備組成。

圖 9： 伺服電機(jī)主要部件

直流電機(jī)與齒輪機(jī)構(gòu)相連，該齒輪機(jī)構(gòu)向主要是電位器的位置傳感器提供反饋。從齒輪箱，電機(jī)的輸出通過伺服花鍵傳遞到伺服臂。電位計(jì)根據(jù)電機(jī)的當(dāng)前位置改變位置。因此，電阻的變化會(huì)從電位計(jì)產(chǎn)生等效的電壓變化。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)通過控制線饋送。脈沖寬度被轉(zhuǎn)換成等效電壓，與誤差放大器中來自電位器的信號(hào)進(jìn)行比較。

圖 10： 伺服電機(jī)不同功能的簡(jiǎn)單框圖

差異信號(hào)被放大并提供給直流電機(jī)。因此，施加到直流伺服電機(jī)的信號(hào)是一個(gè)阻尼波，它會(huì)隨著電機(jī)到達(dá)所需位置而減弱。

圖 11： 在伺服電機(jī)中使用 PWM 波生成控制信號(hào)

當(dāng)脈沖序列指示的目標(biāo)位置與當(dāng)前位置之間的差異較大時(shí)，電機(jī)會(huì)快速移動(dòng)。當(dāng)相同的差異較小時(shí)，電機(jī)移動(dòng)緩慢。

用于控制伺服電機(jī)所需的脈沖序列可以由定時(shí)器 IC（例如555）生成，或者可以對(duì)微控制器進(jìn)行編程以生成所需的波形。參考 Servo Motor interface with 8051 microcontroller and Servo control using AVR ATmega16。

伺服電源

伺服需要 4.8 V 至 6 V 的直流電源。對(duì)于特定的伺服，其額定電壓作為制造商的規(guī)格之一給出。直流電源可以通過電池或穩(wěn)壓器提供。電池電壓必須接近舵機(jī)的工作電壓。這將減少作為熱輻射的功率浪費(fèi)。開關(guān)穩(wěn)壓器可用作電源以提高電源效率。在 Insight about servo motor 上通過獨(dú)家圖片了解有關(guān)伺服電機(jī)工作的更多信息。

舵機(jī)的選擇

伺服電機(jī)的典型規(guī)格有扭矩、速度、重量、尺寸、電機(jī)類型和軸承類型。電機(jī)類型可以是 3 極或 5 極。磁極是指與電磁鐵相連的永磁體。5 極伺服器優(yōu)于 3 極電機(jī)，因?yàn)樗鼈兲峁└玫呐ぞ亍?/p>

伺服系統(tǒng)制造時(shí)具有不同的扭矩和速度額定值。扭矩是電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服臂施加的力。速度是估計(jì)伺服系統(tǒng)到達(dá)某個(gè)位置的速度的量度。制造商可能會(huì)在不同型號(hào)中折衷扭矩與速度或速度與扭矩之間的關(guān)系。必須優(yōu)先選擇扭矩更好的舵機(jī)。

重量和尺寸與扭矩成正比。顯然，具有更大扭矩的舵機(jī)也將具有更大的尺寸和重量?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用的扭矩和速度要求來選擇伺服。重量和尺寸在優(yōu)化選擇方面也可能起著至關(guān)重要的作用，例如當(dāng)需要伺服系統(tǒng)來制造遙控飛機(jī)或直升機(jī)時(shí)。

可查看廠商網(wǎng)站獲取不同型號(hào)舵機(jī)的詳細(xì)信息。也可以參考他們的產(chǎn)品目錄。Futaba 等一些制造商還提供在線計(jì)算器來選擇舵機(jī)。

干擾和噪聲信號(hào)

PWM 信號(hào)由控制線提供給舵機(jī)。來自周圍電子設(shè)備或其他伺服系統(tǒng)的噪聲或干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致位置誤差。為了消除這個(gè)問題，控制信號(hào)在放大后提供。這將抑制噪聲和干擾信號(hào)。

全旋轉(zhuǎn)的伺服修改

一個(gè)人可能想將伺服用于他的機(jī)器人應(yīng)用，并希望連續(xù)移動(dòng)伺服。這可以通過一點(diǎn)修改來實(shí)現(xiàn)。伺服齒輪箱有一個(gè)機(jī)械擋塊，避免伺服完全旋轉(zhuǎn)。銼掉機(jī)械擋塊，使齒輪箱可以自由旋轉(zhuǎn)一整圈。

圖 12： 全旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)中機(jī)械停止裝置

但這不是唯一足夠的東西。伺服在反饋機(jī)制上工作。所以舵機(jī)的鍋必須先移到中心位置。這可以通過微控制器向伺服系統(tǒng)發(fā)送介質(zhì)脈沖來完成。然后用膠水固定附在鍋軸上的齒輪。這會(huì)給舵機(jī)的控制電子設(shè)備留下當(dāng)前位置是中間點(diǎn)的印象。因此，伺服系統(tǒng)將相對(duì)于中間位置而不是當(dāng)前位置移動(dòng)。