第四章-1 舵机的工作原理
舵机工作原理
舵机工作原理舵机是一种常用于控制机械装置角度的电子元件。
它通常用于模型制作、机器人技术、遥控器系统以及其他需要精确控制角度的应用中。
舵机能够根据输入的电信号来控制输出轴的位置，并能够维持在指定的位置上。
舵机的工作原理可以简单描述为电信号控制旋转角度。
舵机通常由一个直流电动机、一对齿轮和一个反馈控制系统组成。
当输入一个控制信号给舵机时，舵机会根据信号的波形来调整输出轴的位置。
具体来说，舵机的工作原理是通过PWM（脉冲宽度调制）信号来控制。
PWM信号是一种周期性的方波信号，其占空比（脉冲宽度与周期之比）决定了舵机的转动角度。
通常，舵机的控制信号周期为20ms，其中高电平持续时间（通常0.5-2.5ms）决定了舵机的角度。
舵机内部的直流电动机通过齿轮系统将旋转运动转化为线性运动。
舵机的输出轴上有一个凸轮，连接着一个反馈系统。
当输入控制信号时，舵机电路板会根据信号的占空比对电动机进行驱动。
电动机会旋转齿轮并移动凸轮，同时反馈传感器监测输出轴的位置，将信息回传给电路板。
电路板会根据反馈信息调整控制信号以使输出轴保持在指定角度。
舵机的工作原理还包括一个关键的概念：舵机的控制范围。
舵机通常有一个工作范围，即可以控制的角度范围。
舵机的控制范围由舵机的设计以及输入的控制信号决定。
一般而言，舵机的控制范围在0到180度之间，但也有一些舵机可以实现360度的连续旋转。
需要注意的是，舵机通常需要与外部电源和控制器相连才能正常工作。
外部电源提供电力，控制器提供PWM信号控制舵机的角度。
总结而言，舵机是一种通过电信号控制旋转角度的电子元件。
它的工作原理基于PWM信号控制电动机的转动，通过齿轮系统和反馈控制来实现精确的角度控制。
舵机的控制范围通常在0到180度之间，但也有一些舵机可以实现连续360度的旋转。
因此，舵机是许多机械装置和控制系统中不可或缺的重要组件。
舵机的工作原理
舵机的工作原理舵机是一种常见的电机控制装置，广泛应用于机器人、无人机、模型飞机等领域。
它通过控制电机的转动来实现精确的角度调整，使得被控制的机械部件能够按照预定的角度运动。
本文将详细介绍舵机的工作原理及其组成部分。
一、舵机的组成部分舵机主要由电机、减速器、控制电路和反馈装置组成。
1. 电机：舵机通常采用直流电机作为驱动源。
电机的特点是转速高、转矩大，能够提供足够的动力来驱动被控制的机械部件。
2. 减速器：舵机中的减速器主要用于减小电机的转速，增加输出的扭矩。
减速器通常采用齿轮传动的方式，通过不同大小的齿轮组合来实现减速。
3. 控制电路：控制电路是舵机的核心部分，它接收来自外部的控制信号，并根据信号的大小和方向来控制电机的转动。
控制电路通常由芯片、电容、电阻等元件组成。
4. 反馈装置：舵机的反馈装置主要用于检测输出轴的实际位置，并将其反馈给控制电路。
常见的反馈装置有光电编码器、霍尔传感器等。
二、舵机的工作原理可以简单概括为：接收控制信号→控制电路处理信号→驱动电机转动→输出轴运动。
1. 接收控制信号：舵机通常通过三线接口与外部设备连接，其中一条线用于接收控制信号。
控制信号通常是一个脉冲宽度调制（PWM）信号，脉冲的高电平时间决定了舵机输出轴的位置。
2. 控制电路处理信号：控制电路接收到控制信号后，会根据信号的高电平时间来判断输出轴应该转动到哪个位置。
控制电路会将输入信号与反馈信号进行比较，通过调整电机的转速和方向来使输出轴移动到目标位置。
3. 驱动电机转动：控制电路根据控制信号的大小和方向来控制电机的转动。
电机通过减速器传递转动力矩到输出轴，从而使输出轴按照预定的角度运动。
4. 输出轴运动：输出轴的运动受到驱动电机的控制，它会根据控制信号的变化而改变位置。
输出轴的位置通过反馈装置检测，并实时反馈给控制电路，以便进行修正。
三、舵机的工作特点舵机具有以下几个工作特点：1. 精确控制：舵机能够实现精确的角度控制，通常可以达到0.1°的精度。
舵机工作原理
引言概述：舵机是一种常用于机械控制系统中的装置，主要用于控制运动装置的旋转或线性运动。
它在航空、机械工程、汽车、无人机等领域中都有广泛的应用。
本文将详细介绍舵机的工作原理，包括其结构、原理、控制信号等方面的内容。
正文：一、舵机的基本结构舵机通常由电机、减速器、位置传感器和电子控制电路等组成。
1. 电机：舵机一般采用直流电机，包括转子和定子。
电机通过转动来控制舵机的位置。
2. 减速器：舵机中的减速器用于减小电机的转速，并通过齿轮和齿条等机械传动装置将转动转化为线性或旋转运动。
3. 位置传感器：舵机常用的位置传感器有光电传感器和磁性传感器等，用于测量舵机的位置并反馈给电子控制电路。
4. 电子控制电路：舵机的电子控制电路负责接收控制信号，并根据控制信号控制电机和减速器的运转。
二、舵机的工作原理1. 控制信号输入：舵机的工作由控制信号决定，控制信号一般为脉冲宽度调制（PWM）信号。
信号的脉宽决定了舵机的位置。
2. 位置控制：控制信号被电子控制电路接收后，经过一定的处理，电子控制电路会根据控制信号的脉宽决定舵机的位置。
3. 反馈控制：舵机的位置传感器会不断测量舵机的位置，并将测量结果反馈给电子控制电路。
电子控制电路通过与目标位置的比较，调整电机和减速器的运转，以实现舵机的稳定控制。
4. 输出控制：根据电子控制电路的控制信号，舵机的电机和减速器会运转，从而实现位置的控制。
三、舵机的控制信号1. 脉宽范围：舵机的控制信号通常具有一个特定的脉宽范围，一般为1ms到2ms之间。
脉宽的最小值和最大值对应舵机的最左和最右位置。
2. 中立位置：控制信号的脉宽为舵机的中立位置。
舵机通过将控制信号设置为中立位置，可以保持在中间位置不动。
3. 工作速度：舵机的工作速度受控制信号的脉宽变化速度影响，脉宽变化越快，舵机的响应速度越快。
4. 工作精度：舵机的工作精度由控制信号和位置传感器的精度共同决定，控制信号的精度越高，舵机的工作精度越高。
舵机的工作原理
舵机的工作原理介绍舵机是一种常见的电动机械驱动装置，广泛应用于遥控模型、机器人、无人机等领域。
舵机的工作原理是通过电路控制电机的转动，并通过一系列机械装置将旋转的运动转化为线性的运动，产生所需的输出力矩。
工作原理舵机的核心是一个直流电机，通常为有刷直流电机。
舵机内部由电机、减速装置和位置反馈装置组成。
其工作原理可以简单分为以下几个步骤：1. 控制信号输入控制信号是通过舵机的控制线输入的，控制线通常使用PWM信号控制。
PWM信号的频率通常为50Hz，控制脉宽的占空比决定了舵机的角度位置。
2. 位置反馈舵机内置一个位置反馈装置，用于检测舵机当前的角度位置。
位置反馈装置通常是一个旋转可变电阻或光电编码器。
3. 控制电路接收到控制信号后，控制电路会根据信号的脉宽来决定控制电机的方向和速度。
控制电路一般由芯片和一些电子元件组成，可以实现对电机的精确控制。
4. 电机驱动控制电路将控制信号转化为适合电机驱动的信号，通过驱动电路将电流传递给电机。
电机驱动通常采用H桥电路，可以实现电机的正反转。
5. 转动和输出力矩电机根据接收到的驱动信号进行转动，通过减速装置将电机的高速旋转转化为舵机输出杆的线性运动。
舵机输出杆的运动产生了力矩，可以控制外部装置的运动。
舵机的应用舵机因其精准的控制能力和可靠的性能，在许多领域得到了广泛应用。
1. 遥控模型舵机常用于遥控模型的控制，例如飞机的方向舵、升降舵，汽车的转向舵等。
舵机可以根据遥控信号实现模型的各种运动，提升遥控模型的趣味性和可玩性。
2. 机器人舵机在机器人领域中也有重要应用，可以控制机器人的肢体运动。
通过配合多个舵机的工作，可以实现机器人的各种复杂动作，如行走、抓取等。
3. 无人机在无人机领域，舵机被广泛用于控制无人机的旋翼和舵面。
舵机可以实现无人机的姿态调整，使其保持平衡和稳定飞行。
舵机的选择和使用注意事项选择合适的舵机对于系统的性能至关重要。
在选择舵机时，需要考虑以下几个因素：1. 动力需求舵机的工作电压和电流要符合系统的需求。
舵机工作原理
舵机工作原理舵机是一种常用于控制机械装置运动的设备，被广泛应用于无人机、机器人、车辆航模等领域。
它通过接收来自控制器的信号，控制舵机的位置和角度，从而实现对机械装置的精确控制。
本文将详细介绍舵机的工作原理和操作方式。
一、舵机的组成舵机由电机、减速器、控制电路和反馈机构组成。
1. 电机：舵机通常采用DC有刷电机作为驱动源。
直流电机的特点是转速高、响应快。
2. 减速器：舵机中的减速器主要用来减小电机输出轴的转速，增加扭矩输出。
常见的舵机减速器有齿轮减速器、行星减速器等。
3. 控制电路：舵机的控制电路是用来控制电机的转动方向和角度的关键部分。
控制电路通常采用H桥驱动电路来控制电机的正反转。
4. 反馈机构：舵机中的反馈机构用来实时检测舵机的位置和角度信息，并将其反馈给控制电路。
通常采用位置传感器（如光电编码器）或角度传感器（如霍尔效应传感器）来实现。
二、舵机的工作原理舵机通过控制电路接收外部信号，并通过电机和减速器转动输出轴来改变机械装置的位置或角度。
舵机工作原理的核心是控制电路中的位置控制回路和PID控制算法。
1. 位置控制回路：位置控制回路是舵机工作的基础。
它的主要任务是接收外部信号，将其转化为控制信号，并控制电机转动到相应的位置。
位置控制回路主要由控制芯片和位置传感器组成。
控制芯片负责解析控制信号，并将其转化为电机驱动信号。
位置传感器则实时监测舵机输出轴的位置，并将其反馈给反馈机构。
控制芯片根据反馈信号和目标位置信号的比较结果，调整电机的转动方向和速度，使得输出轴转动到目标位置。
2. PID控制算法：舵机的PID控制算法用于精确控制舵机输出轴的位置。
PID控制算法通过比较目标位置和实际位置的差异，产生一个误差信号，然后根据误差信号计算出控制信号。
PID控制器包括三个部分：比例（P）控制器、积分（I）控制器和微分（D）控制器。
比例控制器根据误差信号的大小来调整输出信号的大小；积分控制器根据误差信号的累积值来调整输出信号的积累量；微分控制器根据误差信号的变化速率来调整输出信号的变化速率。
舵机的工作原理
舵机的工作原理舵机是一种常见的电动机械装置，广泛应用于机器人、无人机、航模、机械臂等设备中，用于控制和调节机械部件的运动。
舵机的工作原理主要涉及到电机、电子电路和反馈控制。
一、舵机的组成部分舵机主要由电机、电子电路和反馈系统组成。
1. 电机：舵机通常采用直流电机或步进电机作为驱动源。
电机通过转动输出轴来驱动机械部件的运动。
2. 电子电路：舵机内部的电子电路主要包括控制电路、驱动电路和信号处理电路。
控制电路接收来自外部的控制信号，将其转换为电流或电压信号，用于驱动电机。
驱动电路则负责将控制电路输出的信号转换为电机所需的电流或电压。
信号处理电路则用于处理反馈信号，实现闭环控制。
3. 反馈系统：舵机通常配备有位置反馈装置，例如旋转电位器或编码器。
反馈系统可以实时监测舵机输出轴的位置，并将信息反馈给控制电路，从而实现精确的位置控制。
二、舵机的工作原理舵机的工作原理可以简单分为三个步骤：接收控制信号、驱动电机、反馈控制。
1. 接收控制信号：舵机通过接收来自外部的控制信号来确定输出轴的位置。
常见的控制信号是脉冲宽度调制（PWM）信号。
PWM信号的周期一般为20ms，脉宽范围通常为1ms到2ms。
舵机根据接收到的脉宽信号来确定输出轴的位置。
2. 驱动电机：控制电路接收到控制信号后，将其转换为电流或电压信号，通过驱动电路传递给电机。
电机根据接收到的信号来产生相应的转矩，驱动输出轴的运动。
电机的转动方向和速度取决于控制信号的脉宽和频率。
3. 反馈控制：舵机通常配备有位置反馈装置，反馈系统实时监测输出轴的位置，并将信息反馈给控制电路。
控制电路根据反馈信号与控制信号的差异来调整输出轴的位置，实现闭环控制。
通过不断的反馈控制，舵机可以精确地控制输出轴的位置。
三、舵机的应用舵机广泛应用于各种机械设备中，以实现精确的位置控制和运动调节。
以下是一些舵机的应用场景：1. 机器人：舵机用于控制机器人的关节，实现机器人的各种动作，例如行走、抓取、转动等。
舵机的工作原理
舵机的工作原理引言概述：舵机是一种常见的控制装置，广泛应用于机器人、遥控模型、无人机等领域。
它通过接收控制信号来实现精确的角度控制，具有快速响应和高精度的特点。
本文将详细介绍舵机的工作原理，包括信号解析、电机驱动、反馈控制等方面。
一、信号解析1.1 脉冲宽度调制（PWM）舵机接收的控制信号是一种脉冲宽度调制信号（PWM）。
脉冲的周期通常为20毫秒，高电平的脉冲宽度决定了舵机的角度位置。
通常，1.5毫秒的脉冲宽度对应舵机的中立位置，较短的脉冲宽度使舵机转到一侧，较长的脉冲宽度使舵机转到另一侧。
1.2 控制信号解码舵机内部的电路会解析接收到的控制信号。
首先，它会将脉冲信号进行整形和增益放大，然后通过一个比较器将脉冲信号转换为数字信号。
接着，舵机会将数字信号与一个内部的角度表进行比较，以确定舵机应该转到哪个角度位置。
1.3 信号频率舵机还可以通过控制信号的频率来判断是否处于异常工作状态。
通常，合法的控制信号频率为50赫兹，如果接收到的频率超出了合法范围，舵机会进入错误状态或保护状态。
二、电机驱动2.1 直流电机舵机内部通常采用直流电机来实现角度调节。
直流电机由一个电枢和一个永磁体组成，电枢通过电流控制来产生转矩。
舵机内部的驱动电路可以根据控制信号的大小和方向，控制电流的流向和大小，从而驱动电机转动到指定的角度位置。
2.2 驱动电路舵机的驱动电路通常由一个H桥电路组成。
H桥电路可以实现电流的正反向控制，从而控制电机的转向。
通过改变电流的方向和大小，舵机可以根据控制信号精确地调整到指定的角度位置。
2.3 电机驱动的注意事项在实际应用中，为了保护电机和延长舵机的寿命，需要注意控制信号的合理范围和频率。
过大的电流或频繁的启停会导致电机过热或损坏，因此需要根据舵机的规格和工作要求来选择合适的控制信号。
三、反馈控制3.1 位置反馈为了提高舵机的精度和稳定性，一些高级舵机还配备了位置反馈装置。
位置反馈装置可以实时监测舵机的角度位置，并将实际位置与控制信号要求的位置进行比较。
舵机的工作原理
舵机的工作原理舵机是一种常见的电动执行器，广泛应用于机器人、航模、无人机、自动化设备等领域。
它通过接收控制信号来控制输出轴的角度位置，从而实现精确的位置控制。
舵机的工作原理主要涉及到电机、电子电路和反馈控制系统。
一、电机部分舵机的核心部件是一种直流电机，通常采用永磁直流电机。
该电机由电机转子、电机定子、电刷和永磁体组成。
当电流通过电机定子产生磁场时，磁场与永磁体之间的相互作用会产生转矩，使电机转子转动。
二、电子电路部分舵机内部还包含了一套电子电路，用于接收控制信号并将其转化为电机驱动信号。
电子电路主要由控制芯片、驱动电路和位置反馈电路组成。
1. 控制芯片：舵机的控制芯片通常是一种专用的集成电路，能够接收来自外部的控制信号，并根据信号的脉冲宽度来确定输出轴的位置。
常见的控制芯片有NE555、ATmega328等。
2. 驱动电路：驱动电路负责将控制芯片输出的信号放大，并通过适当的电流控制电机的转动。
驱动电路通常包括功率放大器、电流限制器等元件。
3. 位置反馈电路：为了实现精确的位置控制，舵机通常还配备了位置反馈电路。
位置反馈电路能够实时监测输出轴的位置，并将实际位置反馈给控制芯片，从而实现闭环控制。
三、反馈控制系统舵机的反馈控制系统是舵机工作的关键部分，它通过不断比较控制信号与实际位置反馈信号的差异，调整驱动电路的输出，使输出轴的位置能够精确地达到控制信号所要求的位置。
反馈控制系统通常采用PID控制算法，即比例-积分-微分控制算法。
PID控制算法根据当前位置与目标位置之间的差异，计算出一个控制量，用于调整输出轴的位置。
比例项决定了控制量与差异的线性关系，积分项用于消除稳态误差，微分项用于抑制系统的超调和震荡。
四、工作过程舵机的工作过程如下：1. 接收信号：舵机通过信号线接收来自控制器的控制信号，通常是一种PWM 信号。
2. 解码信号：舵机内部的控制芯片将接收到的信号进行解码，提取出脉冲宽度信息。
3. 位置控制：控制芯片根据脉冲宽度信息计算出输出轴的目标位置，并与实际位置进行比较。
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舵面负载不为零时：
减速增矩
负载情况下传递函数： 忽略时间常数TM：
舵机的动特性
电动舵机的动特性
可见： 磁粉离合器控制的电动舵机空载动特性可描述为两个积分环节 与一个惯性环节的串联。
电动舵机负载情况下的动特性可描述为一个二阶无阻尼振荡环 节与一个惯性环节的串联。
近似分析中可忽略舵机的电气时间常数TM。
舵机的动特性
液压舵机的动特性
液压舵机的空载动特性可描述为一个积分环节和一个二阶振 荡环节的串联。
有载动特性可描述为一个惯性环节和一个二阶振荡环节的串 联。
舵机的动特性
铰链力矩对舵机动特性的影响
，显然负
电动与液压舵机的传递函数均包括铰链力矩系数 载铰链力矩的变化会改变舵机的原有特性。
假设电动舵机机械特性斜率B不为零，由方块图写出其电动舵 机负载传递函数：
按照作用分为：
液压舵机：直接推动舵面偏转
电液副舵机：通过液压助力器带动舵面偏转
电液复合舵机
电液副舵机和液压主舵机组装而成 具有人工驾驶、自动控制、复合工作和应急操 纵等四种工作状态 组成：电液副舵机、主舵机、电磁转换机构、 锁紧机构和复合摇臂等，为保证舵机的可靠性， 用两套独立的液压源供油。
在铰链力矩作用下，舵机传递函数中含有系数 ， 随飞行状态而变化，致使舵机的动特性随之变化。 如果 >0，出现铰链力矩反操纵，传递函数中将包括 一个不稳定的二阶振荡环节，舵机工作将不稳定。
舵机的动特性
铰链力矩对舵机动特性的影响
舵机的稳态输出值，在有负载时： 有负载时，鼓轮的输出转角正比于输入电压，并与动压 成 正比。 其稳态输出也随飞行状态的变化而变化，当 增大时稳态偏 转角减小。
第四章 舵机与舵回路
舵机的工作原理 舵机的特性分析
舵回路（伺服随动系统）：按照指令模型装置 或敏感元件输出的电信号操纵舵面，实现飞机 角运动或轨迹运动的自动稳定和控制。
执行元件：舵机 负载：铰链力矩 用途：改善舵机性能 方法：引入内反馈
电动舵机
以电力为能源，通常由电动机（直流或交流）、 测速装置、位置传感器、齿轮传动装置和安全 保护装置等组成。 控制方式
舵面程度上取 决于舵机的性能。 研究方法：从负载入手分析舵面的负载特性， 研究电动和液压舵机的动特性及舵面负载对舵 机性能的影响。
舵面的负载特性
舵面的负载---铰链力矩 主要由舵面偏转引起 相同舵偏角产生的铰链力矩随飞行状态改变， 动压Q越大，铰链力矩越大，方向随之改变。 通常舵面转轴的位置设置在压力重心的前面
电动舵机中电动机的线性化力矩特性
舵机的动特性
电动舵机的动特性
磁粉离合器控制的间接式电动舵机原理方块图 忽略摩擦力矩的影响，电动舵机运动方程描述为：
舵机的动特性
电动舵机的动特性
由上方块图可得 B 0，空载时电动舵机输入电压对鼓轮的传递函数：
忽略时间常数TM：
舵机的动特性
电动舵机的动特性
直接式：改变电动机的电枢电压或激磁电压，直接控制输 出轴的转速和方向。 间接式：在电动机恒速转动时，通过离合器的吸合，间接 控制舵机输出轴的转速和方向。
电动舵机
磁粉离合器间接 控制的电动舵机
换向 保护
人工/自动
电动舵机
磁粉离合器的机 械特性曲线
铰链力矩的存在 影响机械特性
液压舵机
以高压液体为能源
余度舵机
电传操纵系统中，驾驶员只通过电气通道驱动 舵面，其可靠性要求高。 多余度技术：有备份，用几套相同的舵机组合 在一起共同操纵舵面。
余度舵机
三套相同的电液副舵机，三套作动筒的活塞杆同 时连接在一根杆上，一起运动。 正常情况下， A“主动” A故障，B变 为“主动” B故障，C变 “主动”
舵面的负载特性
动压增大，铰链力矩急剧增大。 为减小铰链力矩，把舵面偏转的位置设置在压 力中心变化范围的中间。 压力中心线位于转轴 后面时， ，铰 链力矩力图使舵面恢复到中间位置。 反之， ，铰链 力矩力图使舵面继续 偏转，出现铰链力矩 反操纵现象。
舵机的动特性
电动舵机的动特性
非线性曲线，难以描述和分析
采用线性化的方法研究平衡状态 附近的增量运动。 将非线性机械特性曲线近似为斜 率为B的线性机械特性曲线。
电动舵机中电动机的机械特性
B---输入电压为常数时，输出力 矩M对角速度w的偏导数。
舵机的动特性
电动舵机的动特性
同样，把电动舵机中电动机的力矩特 性近似为斜率为A的线性力矩特性。
铰链力矩对舵机的动特性和静特性均有很大影响， 且随飞行状态不同而变化。
课后习题
舵回路的用途是什么？通过什么方法实现？ 舵机的分类？ 余度舵机的工作原理？ 磁粉离合器控制的电动舵机空载级负载情况下 的动特性？ 铰链力矩对舵机动特性有何影响？