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多圖展示機器人的伺服馬達轉向控制原理

時間:2019-11-06 來源:機器人在線 閱讀:446

舵機也叫伺服電機,最早用于船舶上實現其轉向功能,由于可以通過程序連續控制其轉角,因而被廣泛應用機器人的各類關節運動,以及用在智能小車上以實現轉向,如圖1 、圖2 所示。?


圖1 舵機用于機器人


圖2 舵機用于智能小車中


舵機是小車轉向的控制機構,具有體積小、力矩大、外部機械設計簡單、穩定性高等特點,無論是在硬件設計還是軟件設計,舵機設計是小車控制部分重要的組成部分,圖3為舵機的外形圖。


圖3 舵機外形圖


舵機的組成


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、直流電機、控制電路等,如圖4、圖5所示。


圖4 舵機的組成示意圖


圖5 舵機組成


舵機的輸入線共有三條,如圖6所示,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。


圖6 舵機的輸出線


舵機工作原理


控制電路板接受來自信號線的控制信號,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轉動的方向和速度,從而達到目標停止。其工作流程為:控制信號→控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵盤轉動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。


舵機的控制信號周期為20MS的脈寬調制(PWM)信號,其中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對應的舵盤位置為0-180度,呈線性變化。也就是說,給他提供一定的脈寬,它的輸出軸就會保持一定對應角度上,無論外界轉矩怎么改變,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位置上如圖7所求。舵機內部有一個基準電路,產生周期為20MS,寬度1.5MS的基準信號,有一個比出較器,將外加信號與基準信號相比較,判斷出方向和大小,從而生產電機的轉動信號。由此可見,舵機是一種位置伺服驅動器,轉動范圍不能超過180度,適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅動器中,比如說機器人的關節、飛機的舵面等。


圖7 舵機輸出轉角與輸入脈沖的關系


舵機選購


市場上的舵機有塑料齒、金屬齒、小尺寸、標準尺寸、大尺寸,另外還有薄的標準尺寸舵機,及低重心的型號。小舵機一般稱為微型舵機,扭力都比較小,市面上2.5g,3.7g,4.4g,7g,9g等舵機指的是舵機的重量分別是多少克,體積和扭力也是逐漸增大。微型舵機內部多數都是塑料齒,9g舵機有金屬齒的型號,扭力也比塑料齒的要大些。futaba S3003,輝盛 MG995是標準舵機,體積差不多,但前者是塑料齒,后者金屬齒,兩者標稱的扭力也差很多。春天sr403p,Dynamixel AX-12+是機器人專用舵機,不同的是前者是國產,后者是韓國產,兩者都是金屬齒標稱扭力13kg以上,但前者只是改改樣子的模擬舵機,后者則是RS485串口通信,具有位置反饋,而且還具有速度反饋與溫度反饋功能的數字舵機,兩者在性能和價格上相差很大。


除了體積,外形和扭力的不同選擇,舵機的反應速度和虛位也要考慮,一般舵機的標稱反應速度常見0.22 秒/60°,0.18 秒/60°,好些的舵機有0.12 秒/60°等的,數值小反應就快。


廠商所提供的舵機規格資料,都會包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、測試電壓(V)及重量(g)等基本資料。扭力的單位是 kg/cm,意思是在擺臂長度 1 公分處,能吊起幾公斤重的物體。這就是力臂的觀念,因此擺臂長度愈長,則扭力愈小。速度的單位是 sec/60°,意思是舵機轉動 60°所需要的時間。電壓會直接影響舵機的性能,例如 Futaba S-9001 在 4.8V 時扭力為 3.9kg/cm、速度為 0.22 秒/60°,在 6.0V 時扭力為 5.2kg/cm、速度為 0.18 秒/60° 。若無特別注明,JR 的舵機都是以 4.8V 為測試電壓,Futaba則是以 6.0V 作為測試電壓。速度快、扭力大的舵機,除了價格貴,還會伴隨著高耗電的特點。因此使用高級的舵機時,務必搭配高品質、高容量的電池,能提供穩定且充裕的。


現在市面上的舵機魚龍混雜,總體來說仿品不如正品,便宜的不如貴的,塑料齒的不如金屬齒的,老的不如新的,國內的不如外國的等等,大家不必過于追求極致,根據自身購買力選擇夠用的就行。


舵機使用中應注意的事項


1)、常用舵機的額定工作電壓為6V,可以使用LM1117等芯片提供6V的電壓,如果為了簡化硬件上的設計直接使用5V的供電影響也不是很大,但最好和單片機進行分開供電,否則會造成單片機無法正常工作。


2)、一般來說可以將來信號線連接至單片機的任意引腳,對于51單片機需通過定時器模塊出PWM才能進行控制。但是如果連接像飛思卡爾之類的芯片,由于飛思卡爾內部帶有PWM模塊,可以直接輸出PWM信號,此時應將來信號連于專用的PWM輸出引腳上。

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