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舵机:从船舶到机器人与智能小车的广泛应用及组成解析

 2025年04月09日  阅读 24

摘要:舵机也被称作伺服电机。它最早是在船舶上被使用,用于实现船舶的转向功能。因为能够通过程序对其转角进行连续控制,所以被广泛应用于机器人的各类关节运动中,同时也被用在智能小车上以实现转向,就像图1和图2所展示的那样。图1舵机用于机器人图2舵机用于智能...

舵机也被称作伺服电机。它最早是在船舶上被使用,用于实现船舶的转向功能。因为能够通过程序对其转角进行连续控制,所以被广泛应用于机器人的各类关节运动中,同时也被用在智能小车上以实现转向,就像图 1 和图 2 所展示的那样。

图1 舵机用于机器人

图2 舵机用于智能小车中

舵机用于控制小车转向。它具有体积小、力矩大的特点,外部机械设计较为简单,稳定性也很高。在硬件设计和软件设计方面,舵机设计都是小车控制部分的重要组成部分。图 3 展示的是舵机的外形图。

图3 舵机外形图

舵机的组成

舵机通常由几个部分构成,其中有舵盘,还有减速齿轮组,以及位置反馈电位计、直流电机和控制电路等。从图 4 和图 5 可以看出这些部分。

图4 舵机的组成示意图

图5 舵机组成

舵机的输入线有三条。如图 6 所示,其中红色的在中间,它是电源线。一边的黑色线是地线。这两根线为舵机提供了最基本的能源保证,主要用于满足电机转动时的消耗。电源有两种规格,一种是 4.8V,另一种是 6.0V。这两种规格分别对应不同的转矩标准,也就是输出力矩不同,6.0V 对应的输出力矩要大一些,具体情况要根据应用条件来确定。另外还有一根线是控制信号线,通常为白色,JR 的一般为桔黄色。需要注意的是,某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间,需要进行辨认。不过要记住,红色的是电源,黑色的是地线,一般不会弄错。

图6 舵机的输出线

舵机工作原理

控制电路板接收来自信号线的控制信号,此信号促使电机转动。电机带动一系列齿轮组,经过减速后将动力传动至输出舵盘。舵机的输出轴与位置反馈电位计相连,舵盘转动时会带动位置反馈电位计。位置反馈电位计会输出一个电压信号到控制电路板以进行反馈。接着,控制电路板根据所在位置来决定电机转动的方向和速度,最终达到目标停止。其工作流程如下:控制信号会传递至控制电路板,接着控制电路板促使电机转动,电机转动后通过齿轮组减速,减速后的动力带动舵盘转动,舵盘转动会使位置反馈电位计产生变化,位置反馈电位计再将信号反馈至控制电路板。

如图 7 所示。舵机内部存在一个基准电路,它能产生周期为 20MS 且宽度为 1.5MS 的基准信号。还有一个比较器,它会把外加信号和基准信号进行比较,以此来判断出方向和大小,进而产生电机的转动信号。从这些方面可以看出,舵机是一种位置伺服驱动器,其转动范围不会超过 180 度,适用于那些需要不断变化且能够保持的驱动器中,例如机器人的关节以及飞机的舵面等。

图7 舵机输出转角与输入脉冲的关系

舵机选购

市场上的舵机有塑料齿的、金属齿的。有小尺寸的、标准尺寸的、大尺寸的。还有薄的标准尺寸舵机,以及低重心的型号。小舵机通常被称为微型舵机,其扭力都比较小。市面上 2.5g、3.7g、4.4g、7g、9g 等舵机,指的是舵机的重量分别为多少克。并且,舵机的体积和扭力是逐渐增大的。微型舵机内部大多为塑料齿。9g 舵机存在金属齿的型号,其扭力比塑料齿的大。辉盛是标准舵机,体积相近。前者是塑料齿,后者是金属齿,两者标称的扭力差异很大。春天,有 AX-12+这种机器人专用舵机。其中,AX-12+有国产的和韩国产的之分。它们的共同特点是金属齿,标称扭力在 13kg 以上。不过,国产的 AX-12+只是改改样子的模拟舵机,而韩国产的 AX-12+则是串口通信,具备位置反馈,同时还具有速度反馈与温度反馈功能的数字舵机。两者在性能和价格上有很大差异。

舵机的反应速度和虚位需要考虑,除了体积、外形和扭力有不同选择外。一般来说,舵机的标称反应速度常见有 0.22 秒/60°,还有 0.18 秒/60°。好些的舵机则有 0.12 秒/60°等。数值越小,反应就越快。

厂商提供的舵机规格资料包含一些基本信息,如外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、测试电压(V)及重量(g)等。扭力的单位是 kg/cm,其含义是在摆臂长度为 1 公分的时候,能够吊起几公斤重的物体。这体现了力臂的观念,所以摆臂长度越长,扭力就越小。在 6.0V 时,扭力为 5.2kg/cm,速度为 0.18 秒/60°。若无特别注明,JR 的舵机通常以 4.8V 为测试电压,同时也以 6.0V 作为测试电压。速度快且扭力大的舵机,不仅价格贵,还具有高耗电的特点。所以在使用高级舵机时,一定要搭配高品质、高容量的电池,以提供稳定且充裕的电力。

现在市面上的舵机情况较为复杂。总体而言,仿制品比不上正品,价格便宜的比不上价格贵的,塑料齿的比不上金属齿的,老旧的比不上新的,国内生产的比不上外国生产的等等。大家不必过于执着于追求极致,只需根据自身的购买能力,选择能够满足需求的舵机就可以了。

舵机使用中应注意的事项

常用舵机的额定工作电压是 6V。可以用某些芯片来提供 6V 的电压。若为简化硬件设计而直接使用 5V 供电,影响不会太大。但最好将其与单片机分开供电,不然会导致单片机无法正常工作。

一般来讲能够将信号线连接到单片机的任意引脚。对于 51 单片机,需要通过定时器模块输出 PWM 才能进行控制。然而要是连接像飞思卡尔这类的芯片,因为飞思卡尔内部带有 PWM 模块,所以可以直接输出 PWM 信号,在这种情况下,应当将信号连接到专用的 PWM 输出引脚上。

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