STM32驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的工作原理、規(guī)格和選型分析

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最近幾年，國內(nèi)機(jī)器人開始起步發(fā)展，很多高校及中小學(xué)都開始進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)教學(xué)。小型的機(jī)器人、模塊化的機(jī)器人、組件式的機(jī)器人是教學(xué)機(jī)器人的首選。在這些機(jī)器人產(chǎn)品中，舵機(jī)是十分關(guān)鍵，且使用較多的部件。

根據(jù)控制方式，舵機(jī)應(yīng)該稱為“微型伺服馬達(dá)”。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗稱“舵機(jī)”。舵機(jī)接受一個(gè)簡單的控制指令，就可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品使用。

一、舵機(jī)的結(jié)構(gòu)

簡單來說，舵機(jī)就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元；能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)，給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。

舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機(jī)控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機(jī)更準(zhǔn)確的說是伺服馬達(dá)，英文：servo。

舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。

簡單的工作原理是：控制電路接收信號源的控制信號，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。

舵機(jī)的外殼一般是塑料的，特殊的舵機(jī)可能會(huì)有金屬鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機(jī)里面的電機(jī)運(yùn)行在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。當(dāng)然，金屬外殼也可以提供更牢固的固定位置。

舵機(jī)的齒輪箱有塑料齒輪、混合齒輪、金屬齒輪的差別。塑料齒輪成本低，噪音小，但強(qiáng)度較低；金屬齒輪強(qiáng)度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會(huì)有很大的噪音。小扭矩舵機(jī)、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機(jī)一般都用塑料齒輪，如Futaba3003，輝盛的9g微舵。

金屬齒輪一般用于功率密度較高的舵機(jī)上，比如輝盛的MG995舵機(jī)，在和3003一樣體積的情況下卻能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用鈦合金作為齒輪材料，其高強(qiáng)度能保證3003大小的舵機(jī)能提供20幾公斤的扭矩。混合齒輪在金屬齒輪和塑料齒輪間做了折中，在電機(jī)輸出減速箱扭矩不大的部位，用塑料齒輪。

二、舵機(jī)的規(guī)格和選型

1、舵機(jī)轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速由舵機(jī)無負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60°角所需時(shí)間來衡量，常見舵機(jī)的速度一般在0.11s/60°-0.21s/60°之間。

2、舵機(jī)扭矩

舵機(jī)扭矩的單位是KG·CM，這是一個(gè)扭矩單位。可以理解為在舵盤上距舵機(jī)軸中心水平距離1CM處，舵機(jī)能夠帶動(dòng)的物體重量。

3、工作電壓

廠商提供的速度、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)和測試電壓有關(guān)，在4.8V和6V兩種測試電壓下這兩個(gè)參數(shù)有比較大的差別。比如，MG995在4.8V時(shí)速度為0.17秒，在6.0V時(shí)速度為0.13秒。

舵機(jī)的工作電壓對性能有重大的影響，舵機(jī)推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當(dāng)然，有的舵機(jī)可以在7V以上工作，比如12V的舵機(jī)也不少。具體更加較高的電壓可以提高電機(jī)的速度和扭矩。此外，選擇舵機(jī)還需要看我們的控制板所能提供的電壓。

4、尺寸重量和材質(zhì)

舵機(jī)的功率（速度×轉(zhuǎn)矩）和舵機(jī)的尺寸比值可以理解為該舵機(jī)的功率密度，一般同樣品牌的舵機(jī)，功率密度大的價(jià)格高。塑料齒輪的舵機(jī)在超出極限負(fù)荷的條件下使用可能會(huì)崩齒，金屬齒輪的舵機(jī)則可能會(huì)電機(jī)過熱損毀或外殼變形。所以，材質(zhì)的選擇并沒有絕對的傾向，關(guān)鍵是將舵機(jī)使用在設(shè)計(jì)規(guī)格之內(nèi)。

用戶一般都對金屬制的物品比較信賴，齒輪箱期望選擇全金屬的，舵盤期望選擇金屬舵盤。但需要注意的是，金屬齒輪箱在長時(shí)間過載下也不會(huì)損毀，最后卻是電機(jī)過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復(fù)的。塑料出軸的舵機(jī)如果使用金屬舵盤是很危險(xiǎn)的，舵盤和舵機(jī)軸在相互扭轉(zhuǎn)過程中，金屬舵盤不會(huì)磨損，舵機(jī)軸會(huì)在一段時(shí)間后變得光禿，導(dǎo)致舵機(jī)完全不能使用。

綜上，選擇舵機(jī)需要在計(jì)算自己所需扭矩和速度，并確定使用電壓的條件下，選擇有150%左右甚至更大扭矩富余的舵機(jī)。

三、舵機(jī)的工作原理

舵機(jī)是一個(gè)微型的伺服控制系統(tǒng)，具體的控制原理可以用下圖表示：

其工作原理是：控制電路接收信號源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。

模擬舵機(jī)需要一個(gè)外部控制器（遙控器的接收機(jī)或者單片機(jī)）產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號來告訴舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖寬度是舵機(jī)控制器所需的編碼信息。舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對應(yīng)-90度到+90度的位置（對于180°舵機(jī)）。??

舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms~2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度舵機(jī)為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

如下圖所示：

需要解釋的是，舵機(jī)原來主要用在飛機(jī)、汽車、船只模型上，作為方向舵的調(diào)節(jié)和控制裝置。所以，一般的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是45°、60°或者90°，這時(shí)候脈沖寬變一般只有1ms-2ms之間。比如你做一個(gè)遙控小車，用舵機(jī)控制方向，那么舵機(jī)轉(zhuǎn)的角度肯定不是180度，因?yàn)槟阋娺^你開的車方向能轉(zhuǎn)180度嗎？

而后舵機(jī)開始在機(jī)器人上得到大幅度的運(yùn)用，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也在根據(jù)機(jī)器人關(guān)節(jié)的需要增加到-90°至90°之間，甚至還有-135°至135°之間，脈沖寬度也隨之有了變化。對于機(jī)器人控制而言，我們一般通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號控制舵機(jī)。

四、STM32控制舵機(jī)代碼

原因就是20ms的時(shí)基脈沖，如果想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)90度，就應(yīng)該發(fā)生一個(gè)高電平為1.5ms，周期為20ms的方波，duty=1.5/20=7.5% ，而定時(shí)器自動(dòng)重裝載寄存器arr的值為 1000 ，所以令duty=75，時(shí)占空比才為75/1000=7.5%。

以此類推，你想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)多大的角度按照這個(gè)方法設(shè)置就行了。

審核編輯：郭婷