伺服電機：基礎知識和工作

圖 1：常用伺服電機圖片

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伺服電機是配備伺服機構的直流電機，可精確控制角度位置。RC 伺服電機通常具有 90° 至 180° 的旋轉限制。一些舵機還具有 360° 或更多的旋轉限制。但是舵機不會連續(xù)旋轉。它們的旋轉被限制在固定角度之間。

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

圖 2： 用于遙控直升機的伺服電機

圖 3： 飛機上使用的伺服電機

圖 4： 機械臂中伺服電機

伺服馬達有四大廠商：Futaba、Hitec、Airtronics和JR radio。Futaba 和 Hitec伺服系統(tǒng)如今占據(jù)了市場主導地位。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： 伺服電機制造商

伺服電機帶有三根電線或引線。其中兩根電線為伺服直流電機提供接地和正電源。第三根線用于控制信號。伺服電機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）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。Hitec 有一個 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 個齒，而 Futaba 花鍵有 25 個齒。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的軸。

圖 6： 伺服電機中花鍵和臂

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

通過在控制線上發(fā)送 PWM（脈沖寬度調制）信號，可以將伺服電機移動到所需的角度位置。伺服理解脈沖位置調制的語言。在重復的時間范圍內(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 毫秒寬的脈沖會將其移至 180°?？梢韵鄳貎?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到 90°。

必須注意，這些值只是近似值。舵機的實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）傳遞給伺服系統(tǒng)以維持特定的角度位置。當伺服器接收到一個脈沖時，它可以在接下來的 20 毫秒內(nèi)保持相應的角度位置。因此，每 20 毫秒時間幀中的一個脈沖必須饋送到伺服系統(tǒng)。

圖 7： 使用 PWM 波顯示伺服電機角旋轉

圖 8： 典型伺服電機內(nèi)部零件

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

圖 9： 伺服電機主要部件

直流電機與齒輪機構相連，該齒輪機構向主要是電位器的位置傳感器提供反饋。從齒輪箱，電機的輸出通過伺服花鍵傳遞到伺服臂。電位計根據(jù)電機的當前位置改變位置。因此，電阻的變化會從電位計產(chǎn)生等效的電壓變化。脈沖寬度調制信號通過控制線饋送。脈沖寬度被轉換成等效電壓，與誤差放大器中來自電位器的信號進行比較。

圖 10： 伺服電機不同功能的簡單框圖

差異信號被放大并提供給直流電機。因此，施加到直流伺服電機的信號是一個阻尼波，它會隨著電機到達所需位置而減弱。

圖 11： 在伺服電機中使用 PWM 波生成控制信號

當脈沖序列指示的目標位置與當前位置之間的差異較大時，電機會快速移動。當相同的差異較小時，電機移動緩慢。

用于控制伺服電機所需的脈沖序列可以由定時器 IC（例如555）生成，或者可以對微控制器進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的工作電壓。這將減少作為熱輻射的功率浪費。開關穩(wěn)壓器可用作電源以提高電源效率。在 Insight about servo motor 上通過獨家圖片了解有關伺服電機工作的更多信息。

舵機的選擇

伺服電機的典型規(guī)格有扭矩、速度、重量、尺寸、電機類型和軸承類型。電機類型可以是 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，因為它們提供更好的扭矩。

伺服系統(tǒng)制造時具有不同的扭矩和速度額定值。扭矩是電機驅動伺服臂施加的力。速度是估計伺服系統(tǒng)到達某個位置的速度的量度。制造商可能會在不同型號中折衷扭矩與速度或速度與扭矩之間的關系。必須優(yōu)先選擇扭矩更好的舵機。

重量和尺寸與扭矩成正比。顯然，具有更大扭矩的舵機也將具有更大的尺寸和重量。可以根據(jù)應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重要的作用，例如當需要伺服系統(tǒng)來制造遙控飛機或直升機時。

可查看廠商網(wǎng)站獲取不同型號舵機的詳細信息。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算器來選擇舵機。

干擾和噪聲信號

PWM 信號由控制線提供給舵機。來自周圍電子設備或其他伺服系統(tǒng)的噪聲或干擾信號會導致位置誤差。為了消除這個問題，控制信號在放大后提供。這將抑制噪聲和干擾信號。

全旋轉的伺服修改

一個人可能想將伺服用于他的機器人應用，并希望連續(xù)移動伺服。這可以通過一點修改來實現(xiàn)。伺服齒輪箱有一個機械擋塊，避免伺服完全旋轉。銼掉機械擋塊，使齒輪箱可以自由旋轉一整圈。

圖 12： 全旋轉伺服電機中機械停止裝置

但這不是唯一足夠的東西。伺服在反饋機制上工作。所以舵機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)送介質脈沖來完成。然后用膠水固定附在鍋軸上的齒輪。這會給舵機的控制電子設備留下當前位置是中間點的印象。因此，伺服系統(tǒng)將相對于中間位置而不是當前位置移動。