一文读懂:舵机的内部结构和工作原理

舵机实物图

舵机是机器人旋转关节中的常用部件,尤其是小型机器人。实物就像下面这张图,相信大家都不会陌生。大家一定见过春晚上哪个跳舞的小机器人,其全身各关节都是有舵机组成。我们常见到的舵机就是这个模样,一般是塑料外壳,当然很少见的也有金属外壳的舵机,因为涉及到控制信号,所以一般有三条引出线。也有四条引出线的,可以输出花键轴的位置信息。

这么看,舵机好像和传统意义上的伺服电机有很多相似处,其实也可以这么称呼它。

舵机实物图

引线图

像上图所示的样子,舵机有一个三线的接口。黑色线(或棕色线)是接地线,红线接+5V电压,黄线(或是白色或橙色)接控制信号端。(而步进电机一般会有4~6根不等的引出线)

舵机的内部结构

各种品牌型号舵机的样子,长的几乎都是差不多的,一般情况下,舵机的输出轴都是偏向一边的,这是由于内部齿轮组的安装方式的原因,如果拆开舵机,我们就会发现更多真相。我们可以很明显的看出,舵机和步进电机的动力是有着很大区别的,舵机的驱动力来自——直流电机,通过变速齿轮的传动和变速,将动力传输到输出轴,同时,舵机内部都设有角度传感器和控制电路板,用来参与舵机的转动角度的控制和信号的反馈检测工作。

内部构造

如果还不够直观的话,我们再来看一张舵机实物的拆解图,你就不用再拆了,因为拆了也是一样的内部构造。

拆解图

舵机的闭环检测机制

关于舵机的精准位置控制,存在以下如下图的闭环控制机制。即:位置检测器(角度传感器)是它的输入传感器,舵机转动的位置变化,位置检测器的电阻值就会跟着变化。通过控制电路读取该电阻值的大小,就能根据阻值适当调整电机的速度和方向,使电机向指定角度旋转。从而实现了舵机的精确转动的控制。

闭环检测

舵机的工作原理

舵机的工作原理可以通过下面这张简单的流程图说明,结合上面所说的闭环检测机制内容,相信你很轻松的就可以了解舵机的工作流程和工作原理了。

工作原理

说到舵机的控制信号,一般是脉宽调制(PWM)信号,如下图,直观反映了PWM信号和舵机转动角度的关系,你也可以简单的理解为,通过给舵机通电的时间控制,结合角度传感器的反馈信号检测和控制,实现了舵机的精确角度控制。

脉宽控制波形

舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制信号(PWM),其中脉宽从0.5ms-2.5ms,相应的舵盘位置从0°~180°,呈线型变化。也就是说,给舵机提供一定的脉宽,他的输出轴就会保持一定的对应角度,无论外接转矩怎么改变,直到给他提供另外一个脉冲信号,他才会改变输出角度到新的对应的位置上。

舵机内部有一个基准电路,产生周期为20MS,宽度为1.5MS的脉冲信号,有一个比较器,将外加信号与基准信号相比较,判断出方向和大小,从而产生电机的转动信号。

舵机是一种位置伺服驱动器,转动范围不能超过180°,适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中,比说机器人的关节、飞机的多面等。

*注:舵机的运动范围是180°。笔者曾经参加了一个教育机器人的比赛,其实就是一个小车加上几个传感器。当时用的PARALLAX的电机,以为PARALLX是舵机。我很疑惑,今天在书上看到舵机的旋转范围是180°,180度的话,小车不是只能走半圈?所以之前用的PARALLAX是改造过的伪舵机。

180°电机与360°舵机

360°舵机与一般舵机的区别是:给一般舵机一个PWM信号,舵机会转到一个特定角度,而给360°舵机一个PWM信号,舵机会以一个特定的速度转动,类似于电机。但与电机不同的是,360°舵机是闭环控制,速度控制稳定。

PWM信号与360°舵机转速的关系:

  • 0.5ms——正向最大转速。

  • 1.5ms——速度为0。

  • 2.5ms——反向最大转速。

拿到360°旋转电机的时候,首先就是调零,接VCC、GND,然后用波形发生器产生一个周期20MS、高电平1.5MS的波形去调零。

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