舵机的构造和原理

舵机的构造和原理

2008-06-20 08:50:29 来源: 作者: 【大中小】评论：0条

前言

舵机是遥控模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。如何审慎地选择经济且合乎需求的舵机，也是一门不可轻忽的学问。

本文章主要探讨适合各等级直升机各工作部位所使用的舵机，至於其它种类的模型，如飞机、车、船，则不在本篇文章讨论范围之内。

舵机的构造

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已到达定位。

位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会跟着改变，测量电阻值便可知转动的角度。

一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流过线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，於是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。

为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机。并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属的区分。较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时能更轻快精准。滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。

目前新推出FET舵机，主要是采用FET(Field Effect Transistor)场效电晶体。FET具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。

技术规格

厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(cm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60。)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是kg-cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是sec/60。，意思是舵机转动60。所需要的时间。

电压会直接影响舵机的性能，例如Futaba S-9001在4.8V时扭力为3.9kg、速度为0.22秒，在6.0V时扭力为5.2kg、速度为0.18秒。若无特别注明，JR的舵机都是以4.8V为测试电压，Futaba则是以6.0V作为测试电压。

所谓天下没有白吃的午餐，速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随着高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的镍镉电池，能提供稳定且充裕的电流，才可发挥舵机应有的性能。

选择舵机

标准的直升机需搭配5颗舵机，分别控制油门、副翼、升降舵、螺距及尾舵。

油门

油门是所有动作中负载最轻的部位，且负载不会受到外在因素的影响而改变，所以选择油门舵机时，扭力不是问题(1kg就绰绰有馀)，速度才是关键。因为直升机的油门与螺距作混控，故油门与螺距舵机的速度最好要一致，才不会发生螺距舵机已到达定位，油门舵机却姗姗来迟的情况。尤其作剧烈的3D飞行时，油门与螺距的变化量极大，若油门与螺距舵机的速度不协调，会发生马力延迟的状况。

油门舵机的速度并不是愈快愈好，因为还要考虑引擎的反应时间。引擎必须经过吸气、压缩、爆炸、排气这一连串的步骤，尤其直升机用的引擎并不属於高转速型，因此舵机的速度如果太快，就会产生引擎运转速度跟不上舵机的动作，进而出现油气混合比不适当的状况。建议

采用速度为0.19~0.24秒的舵机。

副翼及升降舵

30级及46级的直升机选择扭力3kg以上的舵机，60级的直升机则选择扭力5kg以上的舵机。副翼及升降舵的反应速度，主要是由主旋翼转速及平衡翼片的重量所控制，与舵机的速度快慢，较无明显且直接的关联，所以不需使用太快的舵机。建议采用速度为0.20~0.26

秒的舵机。

螺距

直升机的主旋翼螺距是出了名的重负载，因此螺距舵机的扭力一定要够，最好能选择扭力

5kg以上的舵机。建议采用速度为0.19~0.24秒的舵机。

尾舵

尾舵舵机的扭力不需太大，3kg就已经足够了。请依据您所使用的陀螺仪等级来搭配尾舵舵机。机械式陀螺仪因为反应速度较慢，因此无需使用高速舵机。压电式陀螺仪需搭配高速舵机，才能发挥陀螺仪的性能。高级的陀螺仪都会指明建议使用的舵机，例如JR 5000T陀螺仪建议搭配NES-8700G舵机，Futaba GY-501陀螺仪建议搭配S-9205舵机。若您使用的压电式陀螺仪并无特别指明舵机的类型，建议您购买速度愈快的舵机愈好。

如何以最经济的方式购买合用的舵机，请叁考下列步骤：

1. 先决定螺距舵机，选择扭力5kg以上的舵机，再依据预算的多寡决定舵机的速度。

2. 依照螺距舵机的速度，选择同速度但扭力小的舵机，作为油门舵机。

3. 依据直升机的级数大小，选择扭力为3kg或5kg以上，速度为0.20~0.26秒的舵机，作为副翼及升降舵舵机。

4. 依据陀螺仪的等级来决定尾舵舵机的速度，愈高级的陀螺仪才需使用高级的舵机。若您使用CCPM的直升机，因为是由副翼、升降舵及螺距舵机采混控的方式共同来推动十字盘，所以这三个动作要选择同型号的舵机。CCPM的优点是连杆数少、传动直接、虚位小，并且可减轻舵机的负荷，延长舵机的使用寿命。

爱惜您的舵机

一般说来舵机并不需要特别的保养，只要注意下列重点，就可使您的舵机长命百岁。

直升机的机械可动部份，不可小於舵机的行程活动范围。

不要随意改变电源电压，例如接收机用4.8V，请勿为了提升舵机的性能而改用6.0V。

机的相关原理与控制原理

什么是舵机：

在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之

接口。

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控

制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。

还是看看具体的实物比较过瘾一点：

2. 其工作原理是：

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用

去考虑的。

3. 舵机的控制：

舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

请看下形象描述吧:

这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。

小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，一般为0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速

的反应，就需要更高的转速了。

要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为1度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。一些前辈喜欢用555来调舵机的驱动脉冲，如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的，可以多用几个开关引些电阻出来调占空比，这么做简单吗，应该不会啦，调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。其实主要还是他那个年代，单片机这东西

不流行呀，哪里会哟！

使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。听说A VR也有控制32个舵机的试验板，不过精度能不能达到2微秒可能还是要泰克才知道了。其实测试起来很简单，你只需要将其控制信号与示波器连接，然后让试验板输出的舵机控制信号以2微秒的宽度递增。

为什么FPPA就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。主要还是delay memory这样的具有创造性的指令发挥了功效。该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加1个指令周期（数据0出外，详情请参见delay指令使用注意事项）因为是8位的数据存储单元，所以memory中的数据为（0～255），记得前面有提过，舵机的角度级数一般为1024级，所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的，所以我们可以采用2个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了。所以这样一来，我们可以采用这样

的软件结构了：

舵机驱动的应用场合：

1. 高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真

实的驾车体验.

2. 多自由度机器人设计,为什么日本人设计的机器人可以上万RMB的出售,

而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题.

3. 多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等

程序原理可以是这样的：

pushw pwm0 ; //注意这里的pwmn指第n路的pwm参数值，是个16位数

//据存放空间，相信8位机中一次操作个16位数据也是首见吧

按这样写下去，一路PC写7个这样的伺服也一点不紧张的，因为PWM的周期是20毫秒，而最大脉宽才2.5毫秒，7*2.5＝17.5毫秒。写完了所有的脉冲后又做什么，跳回再等待下一个20毫秒有效的信号量。而20毫秒的信号量从哪里来，因为多核心，当然可以随便

拿个工作频率低点的CPU来产生啦。这样一来，一颗14PIN的FPPA ,PDK80C02-SOP14就可以通过无线或者红外来精确控制7路舵机。

[本帖最后由zhlu8866 于2008-6-10 17:20 编辑]

什么是舵机：

在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。

还是看看具体的实物比较过瘾一点：

2. 其工作原理是：

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。

3. 舵机的控制：

舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

请看下形象描述吧:

这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。

小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，一般为0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。

要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为1度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。一些前辈喜欢用555来调舵机的驱动脉冲，如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的，可以多用几个开关引些电阻出来调占空比，这么做简单吗，应该不会啦，调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。其实主要还是他那个年代，单片机这东西不流行呀，哪里会哟！

使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。听说A VR也有控制32个舵机的试验板，不过精度能不能达到2微秒可能还是要泰克才知道了。其实测试起来很简单，你只需要将其控制信号与示波器连接，然后让试验板输出的舵机控制信号以2微秒的宽度递增。

为什么FPPA就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。主要还是delay memory这样的具有创造性的指令发挥了功效。该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加1个指令周期（数据0出外，详情请参见delay指令使用注意事项）因为是8位的数据存储单元，所以memory中的数据为（0～255），记得前面有提过，舵机的角度级数一般为1024级，所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的，所以我们可以采用2个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了。所以这样一来，我们可以采用这样的软件结构了：

舵机驱动的应用场合：

1. 高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真实的驾车体验.

2. 多自由度机器人设计,为什么日本人设计的机器人可以上万RMB的出售,

而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题.

3. 多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等