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
舵機最早出現在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態是通過調節發動機和各個控制舵面來實現的。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.發動機進氣量，來控制發動機的拉力（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動，從而改變飛機的運動狀態。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。
2、結構和控制
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所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。
舵機的基本結構是這樣，但實現起來有很多種。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，主要是電機的轉動消耗。電源有兩種規格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應不同的轉矩標準，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，Futaba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。舵機內部有一個基準電路，產生周期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，從而產生電機的轉動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅動器，轉動范圍不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅動當中。比方說機器人的關節、飛機的舵面等。
常見的舵機廠家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，國產的有北京的新幻想、吉林的振華等�，F舉Futaba S3003來介紹相關參數，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（以下數據摘自Futaba產品手冊）。
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，穩定性好；
>控制簡單，便于和數字系統接口；
正是因為舵機有很多優點，所以，現在不僅僅應用在航模運動中，已經擴展到各種機電產品中來，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制信號，所以很方便和數字系統進行接口。只要能產生標準的控制信號的數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實現過，本著負責的態度，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位的內部計數器，我們就用它來產生周期20 ms的脈沖信號，根據需要，改變輸出脈寬。基本思路如下（請對照下面的程序）：
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，計數器每隔1/1000 ms計一次數。以計數器1為例，先設定脈寬的初始值，程序中初始為1.5ms，在for循環中可以隨時通過改變a值來改變，然后設定計數器計數初始值為a，并置輸出p12為高位。當計數結束時，觸發計數器溢出中斷函數，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函數中，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，并設定此時的計數器初值為c，直到定時器再次產生溢出中斷，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。根據需要，選擇合適的延時，用一個a遞增循環，可以讓舵機很流暢的轉動，而不會產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對應的位置轉到1.0ms對應的位置，那么轉動速度如何呢？一般來講，3003的最大轉動速度在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，做一個循環，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速由零增加再減速為零的過程，這就是舵機會產生像步進電機一樣運動的原因。
請問一下，舵機轉動速度是如何控制的?
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