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(huì )連續旋轉。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(chē)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(chǎng)商：Futaba、Hitec、Airtronics和JR radio。Futaba 和 Hitec伺服系統如今占據了市場(chǎng)主導地位。它們的伺服系統是相同的，除了一些接口差異，如電線(xiàn)顏色、連接器類(lèi)型、花鍵等。

圖 5： 伺服電機制造商

伺服電機帶有三根電線(xiàn)或引線(xiàn)。其中兩根電線(xiàn)為伺服直流電機提供接地和正電源。第三根線(xiàn)用于控制信號。伺服電機的這些電線(xiàn)采用顏色編碼。紅線(xiàn)是直流電源線(xiàn)，必須連接到 4.8 V 至 6V 范圍內的直流電源。黑線(xiàn)用于接地。第三根線(xiàn)（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(gè) S 型連接器。通過(guò)夾住額外的法蘭，Futaba 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(lèi)型制作的花鍵不能用于另一種伺服類(lèi)型?；ㄦI是連接伺服臂的地方。它類(lèi)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(huì )改變伺服的（旋轉）方向。事實(shí)上，這可能會(huì )損壞伺服電機。這就是為什么正確考慮伺服電機中電線(xiàn)的順序很重要的原因。

通過(guò)在控制線(xiàn)上發(fā)送 PWM（脈沖寬度調制）信號，可以將伺服電機移動(dòng)到所需的角度位置。伺服理解脈沖位置調制的語(yǔ)言。在重復的時(shí)間范圍內，寬度從 1 毫秒到 2 毫秒不等的脈沖被發(fā)送到伺服系統，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貎炔褰嵌任恢弥g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 50 個(gè)）傳遞給伺服系統以維持特定的角度位置。當伺服器接收到一個(gè)脈沖時(shí)，它可以在接下來(lái)的 20 毫秒內保持相應的角度位置。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。

圖 7： 使用 PWM 波顯示伺服電機角旋轉

圖 8： 典型伺服電機內部零件

伺服電機主要由直流電機、齒輪系統、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(guò)伺服花鍵傳遞到伺服臂。電位計根據電機的當前位置改變位置。因此，電阻的變化會(huì )從電位計產(chǎn)生等效的電壓變化。脈沖寬度調制信號通過(guò)控制線(xiàn)饋送。脈沖寬度被轉換成等效電壓，與誤差放大器中來(lái)自電位器的信號進(jìn)行比較。

圖 10： 伺服電機不同功能的簡(jiǎn)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(gè)阻尼波，它會(huì )隨著(zhù)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(shí)，電機會(huì )快速移動(dòng)。當相同的差異較小時(shí)，電機移動(dòng)緩慢。

用于控制伺服電機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。對于特定的伺服，其額定電壓作為制造商的規格之一給出。直流電源可以通過(guò)電池或穩壓器提供。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(kāi)關(guān)穩壓器可用作電源以提高電源效率。在 Insight about servo motor 上通過(guò)獨家圖片了解有關(guān)伺服電機工作的更多信息。

舵機的選擇

伺服電機的典型規格有扭矩、速度、重量、尺寸、電機類(lèi)型和軸承類(lèi)型。電機類(lèi)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。

伺服系統制造時(shí)具有不同的扭矩和速度額定值。扭矩是電機驅動(dòng)伺服臂施加的力。速度是估計伺服系統到達某個(gè)位置的速度的量度。制造商可能會(huì )在不同型號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。

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?？梢愿鶕玫呐ぞ睾退俣纫髞?lái)選擇伺服。重量和尺寸在優(yōu)化選擇方面也可能起著(zhù)至關(guān)重要的作用，例如當需要伺服系統來(lái)制造遙控飛機或直升機時(shí)。

可查看廠(chǎng)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(xiàn)計算器來(lái)選擇舵機。

干擾和噪聲信號

PWM 信號由控制線(xiàn)提供給舵機。來(lái)自周?chē)娮釉O備或其他伺服系統的噪聲或干擾信號會(huì )導致位置誤差。為了消除這個(gè)問(wèn)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(gè)人可能想將伺服用于他的機器人應用，并希望連續移動(dòng)伺服。這可以通過(guò)一點(diǎn)修改來(lái)實(shí)現。伺服齒輪箱有一個(gè)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(guò)微控制器向伺服系統發(fā)送介質(zhì)脈沖來(lái)完成。然后用膠水固定附在鍋軸上的齒輪。這會(huì )給舵機的控制電子設備留下當前位置是中間點(diǎn)的印象。因此，伺服系統將相對于中間位置而不是當前位置移動(dòng)。