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　　什么是舵机

　　舵机（英文叫Servo）：它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路构成的一套主动控制体系。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机一样平常而言都有最大旋转角度（比如180度。）与平凡直流电机的区别重要在，直流电机是一圈圈转动的，舵机只能在肯定角度内转动，不能一圈圈转（数字舵机可以在舵机模式和电机模式中切换，没有这个题目）。平凡直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以。用途也差别，平凡直流电机一样平常是整圈转动做动力用，舵机是控制某物体转动肯定角度用（比如呆板人的关节）。

　　舵机的布局

　　舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单位。可以或许利用简单的输入信号比力正确的转动给定角度的电机体系。

　　舵机安装了一个电位器（或别的角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比力正确的控制和保持输出轴的角度。如许的直流电机控制方式叫闭环控制，以是舵机更正确的说是伺服马达，英文Servo。

　　舵机的主体布局如下图所示，重要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。简单的工作原理是控制电路吸取信号源的控制信号，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速率成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，丈量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判定舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。

　　舵机的外壳一样平常是塑料的，特别的舵机大概会有金属铝合金外壳。金属外壳可以或许提供更好的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。

　　齿轮箱有塑料齿轮、肴杂齿轮、金属齿轮的差别。塑料齿轮本钱底，噪音小，但强度较低；金属齿轮强度高，但本钱高，在装配精度一样平常的环境下会有很大的噪音。小扭矩舵机、微舵、扭矩大但功率密度小的舵机一样平常都用塑料齿轮，如Futaba3003，辉盛的9g微舵。金属齿轮一样平常用于功率密度较高的舵机上，比如辉盛的995舵机，在和3003一样体积的环境下却能提供13KG的扭矩。Hitec乃至用钛合金作为齿轮质料，其高强度能包管3003巨细的舵性能提供20几公斤的扭矩。肴杂齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中，在电机输出齿轮上扭矩一样平常不大，用塑料齿轮。

　　舵机的原理及控制

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　　模仿舵机及其控制原理

　　舵机是一个微型的伺服控制体系，具体的控制原理可以用下图表现：

　　工作原理是控制电路吸取信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速率成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，丈量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判定舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。

　　模仿舵机必要一个外部控制器（遥控器的吸取机）产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置。如下图所示：

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　　数字舵机及其控制原理

　　数字舵机从根本上颠覆了舵机的控制体系计划。数字和模仿舵机相比在两个方面有显着的长处。1、防抖。2、相应速率快。

　　模仿舵机由于利用模仿器件搭建的控制电路，电路的反馈和位置伺服是基于电位器的比例调治方式。电位器由于线性度的影响，精度的影响，个体差别性的题目，会导致控制匹配不了比例电压，比如我盼望得到2.5V的电压位置，但第一次得到的是2.3V，颠末1个调治周期后，电位器转过的位置已经是2.6V了，如许控制电路就会给电机一个方向脉冲调治，电机往回转，又转过头，然后有向前调治，以至于出现不绝的震荡，这就是我们所看到的抖舵征象。我们购买一批舵机遇发现有的很好用，有的在空载的时间也会在抖动，有的是在加肯定的负载后就开始抖动。

　　我们不消装出呆板人就可以预期一个究竟，不绝抖动的舵机装出来的仿人呆板人是不大概走的很好的，用不绝抖动的舵机装出来的机器臂是不大概写字的。痛惜的是，如今的数字舵机还是很贵的，更别提用伺服直流电机+伺服驱动器+活动控制卡搭建的呆板人体系了。

　　模仿舵机的调治周期是20ms（看看模块卡的舵机程序），也就是它的反应时间是20ms。根据舵机的差别，假设我们估计舵机的速率是0.2s/60°，那么20ms舵机最快的时间转过0.6度才会举行调治，这就是关节在忽然出现大负载的环境下，会被扭矩摆动0.6度，然后才改正返来，我们的直观感觉就是这个舵机不“硬”我们掰动舵盘，可以掰动一个位置。

　　数字舵机可以以很高的频率举行调治，这个周期和角度会变得非常小，而且有PID调治方式的存在，可以或许在以很得当的PID参数举行调治，可以或许让舵机有很高的相应速率，不会出现超调。

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　　总线伺服舵机

　　总线伺服舵机实际上可以明白为舵机的衍生品，数字舵机相比与模仿舵机而言是计划上的颠覆，而总线伺服单位对于舵机而言则是在功能和运用上的颠覆。舵机实际上只能发挥出总线伺服舵机非常微小的部分。

　　那么什么是总线伺服舵机。我们先来看一下我们如今利用舵机和数字舵机时遇见的题目。

　　1、我们利用舵机（岂论数字还是模仿）搭建一个仿人呆板人，用了20个自由度，用了20个舵机。每根舵机都要接到控制卡上，有的线还必要延伸，全部的线加起来有高出30根，像团海草一样把呆板人整个身材缠了个遍，呆板人在走动的时间忽然发现舵机线被拉松了，呆板人一个趔趄把脖子都摔断了。控制卡上必要做出20个PWM信号接口（我们不停在为这个技能题目发愁，如今大概好一点），那但是长长的一排插针啊。忘记的我还很轻易忘记哪个插针对应哪个舵机，好不轻易接上后，一通电，呆板人腿转到背后去了，一排查发现腿关节接到肩关节了。当我们必要给呆板人加些传感器时间，忽然发现，IO口都被用掉了，定时器不敷用了，天啊，真是噩梦。

　　2、舵机的每一个舵机的参数不肯定一样，不时还会出现中位毛病比力大的，好不轻易装出呆板人来后发现舵机的中位不同等，和理论盘算得出来的呆板人步态不相匹配。这回贫苦大了，必要对每一个舵机设置中位，在发送舵机控制信号的时间还必要对每一个舵机都单独参加这个修正值，而不能同一调用某一个通用的PWM产生函数，天啊，一个步态就是20行代码啊。固然，程序员都是勤奋和严谨的，并不以为这是辛劳的事变。而有些人会买可以通过编程器调治和设置中位的舵机，固然，大概会很贵。

　　3、呆板人步态的编写是件非常贫苦的事，我们在编写步态的时间给舵机的初始值根本上都是有毛病的，比如我想肩关节转到180度位置，我给的是255的控制值，但由于舵机个体差别的题目，这个值已经让舵机处于堵转状态。过一会之后，我们发现呆板人一只胳膊不能用了，可怜的呆板人啊，还不知道到底发生了什么事。时间查抄发现呆板人肩关节堵转时间过久，导致电机过热，让舵机外壳融化，然后导致减速齿轮箱错位，舵机就失效了，呆板人的一只胳膊就残废了。

　　第一点的缘故起因我们可以明白为，如今的舵机都是并联控制的，线都是必要接到控制板上，我们可以抱负，假如舵机可以串联就好了。脚腕关键的舵机串到膝关节，不停串到髋关节，末了一根线直接接到控制卡上，乃至可以把全部的舵机都串进去。我们可以惊喜的发现，原来只必要999元就可以买到称心快意的镶钻手表哦，不好意思，离题了，我们同样可以惊喜的发现，只必要1根线，最多4根线就可以搞定20个舵机了，哎，天下真奥妙啊。

　　第二点的缘故起因是舵机本身不能存储中位修正值，修正值必要我们发控制脉冲的时间补进去。我们可以想象，假如我告诉舵机：你好，放松，我要修正你的头的位置，它有点歪了。然后舵机就放松下来，我们把它的头摆正，然后告诉它：这是你头部的精确方向，你以后必要以这位置为正火线，然后舵机就把这个位置记下来了，而且我告诉它转60度它就以这为初始位置转60多，不多不少。我是不是在YY？

　　第三点缘故起因是呆板人没有神经体系，根本不知道疼痛。假如我们能给控制卡提供每一个关节的力矩、电流、电压、温度、转角，那么呆板人缺胳膊少腿的题目都可以办理。呵呵，好像有点神奇了。

　　着实一点不神奇，由于自从总线伺服单位出现后，这些抱负都可以刹时变成实际。总线伺服舵机简单的说就是可以串联，而且担当数据信号，可以或许提供关节的力矩、电流、温度、角度等信息，能正确控制位置的活动单位，外形可以和舵机千篇一律。我们用一个带串口给总线发送一条指令：舵机1，转20度；舵机2转30度，舵机3苏息……直到理论上末了一个舵机。然后全部的舵机就会实行这条指令。

　　舵机的种类

　　舵机的外形和巨细多的让人眼花缭乱，大抵可以分为下面这几种（如图所示）:

　　最右边的是常见的标准舵机，中心两个小的是微型舵机，左边魁梧的谁人是大扭力舵机。图上这几种舵机都是三线控制。

　　制作呆板人常用的舵机有下面几种，而且每种的固定方式也差别，假如从一个型号换成一个型号，整个机器布局都必要重新计划。

　　第一种是MG995，长处是代价自制，金属齿轮，耐用度也不错。缺点是扭力比力小，以是负载不能太大，假如做双足呆板人之类的这款舵机不是很符合，由于腿部受力太大。做做平凡的六足，大概机器手还是不错的。

　　第二种是SR403，这款舵机是网友xqi2因MG995做双足呆板人抖动太锋利，探索找到的，颠末测试。制作双足呆板人不错~~~至少不抖了。长处是扭力大，全金属齿轮，代价也还算自制。缺点嘛。。。做工很盗窟。。。其他缺点等待反馈。

　　第三种就是传说中的数字舵机AX12+，这个是久经检验的呆板人专用舵机。除了代价高，利用RS485串口通讯（控制板就得换数字舵机专用控制板），其他都是长处。

　　下图是一个平凡模仿舵机的分解图，其构成部分重要有齿轮组、电机、电位器、电机控制板、壳体这几大部分。

　　电机控制板重要是用来驱动电机和担当电位器反馈返来的信息。电机嘛，动力的泉源了，这个不消太多表明。电位器这里的作用重要是通过其旋转后产生的电阻的变革，把信号发送回电机控制板，使其判定输出轴角度是否输出精确。齿轮组的作用重要是力气的放大，使小功率电机产生大扭矩。

　　舵机底壳拆开后就可以看到，重要是电机与控制板

　　控制板拿起来后下方是与控制板毗连的电位器

　　从顶部来看电机与电位器，与电机齿轮直接相连的为第一级放大齿轮。

　　颠末一级齿轮放大后，再颠末二、三、四级放大齿轮，末了再通过输出轴输出。

　　通过上面两图可以很清楚的看到，本舵机是4级齿轮放大机构，就是通过这么一层层的把小的力气放大，使得这么一个小小的电性能有15KG的扭力。

　　看完了舵机的构造后咱么对舵机的控制体系举行详解。

　　舵机的伺服体系由可变宽度的脉冲来举行控制，控制线是用来传送脉冲的。脉冲的参数有最小值，最大值，和频率。一样平常而言，舵机的基准信号都是周期为20ms，宽度为1.5ms。这个基准信号界说的位置为中心位置。舵机有最大转动角度，中心位置的界说就是从这个位置到最大角度与最小角度的量完全一样。最紧张的一点是，差别舵机的最大转动角度大概不雷同，但是此中间位置的脉冲宽度是肯定的，那就是1.5ms。如下图：

　　角度是由来自控制线的连续的脉冲所产生。这种控制方法叫做脉冲调制。脉冲的黑白决定舵机转动多大角度。比方：1.5毫秒脉冲会到转动到中心位置（对于180°舵机来说，就是90°位置）。当控制体系发出指令，让舵机移动到某一位置，并让他保持这个角度，这时外力的影响不会让他角度产生变革，但是这个是由上限的，上限就是他的最大扭力。除非控制体系不绝的发出脉冲稳固舵机的角度，舵机的角度不会不停稳固。

　　当舵机吸取到一个小于1.5ms的脉冲，输出轴会以中心位置为标准，逆时针旋转肯定角度。吸取到的脉冲大于1.5ms环境相反。差别品牌，乃至同一品牌的差别舵机，都会有差别的最大值和最小值。一样平常而言，最小脉冲为1ms，最大脉冲为2ms。如下图：

　　舵机控制板字面意思就是用于控制舵机的板子，就像驱动直流电机一样，呆板人利用的舵机也必要专门驱动，通过舵机的认知篇我们相识到舵机的驱动方法是单片机输出特定的PWM信号，舵机吸取到信号后经舵机内部电路检测对比然后驱动内部的小型直流电机动员减速齿轮组使舵机的输出轴转动到特定角度位置。以是想控制舵机就必要学会单片机的程序开辟，这对一样平常的呆板人爱好者来说难度挺大，特别是没有打仗单片机的。而做一个仿生呆板人一样平常都必要几个十几个舵机，控制多个舵机的程序则更加复杂，这是大多数呆板人爱好者在制作呆板人的过程中都要碰到的一个大题目。为了使大多数不会编写舵机控制程序的呆板人爱好者可以或许轻松的控制舵机，高手们就专门开辟了用于多路舵机控制的硬件模块供其他不会编写程序的爱好者利用。

　　舵机控制板从硬件上来着实也就是一块单片机开辟板，一片单片机加上一些外围电路，但由于开辟者将多路舵机控制程序写入到单片机中，这个外表上看似平凡的单片机开辟板便有了不一样的代价，这就是软件开辟的魅力地点。与很多技能一样，舵机控制板劈头于国外，国外比力盛行的就是开源的（SSC-32）32路舵机控制板，原理就是利用单片机的硬件PWM接口通过4个74HC595扩展成32路PWM输出，实现32路舵机控制。另一种方法就是通过单片机内部的定时器设置天生PWM，如许理论有多少I/O口就能产生多少路控制，但随着路数的增长控制精度就会降落，固然用高性能的单片机可以有效克制这个题目。

　　舵机控制板尚有个方便之处在于有一套与之相对应的PC调试软件，面向用户界面，利用户可以或许更直观的操控舵机位移，而且还能把调解出来的动作生存下来，形成连贯的动作组，如许便使得爱好者计划呆板人步态的过程变得简单化，让爱好者更快的享受制作呆板人的爱好。

　　简单来说，舵机控制板就是呆板人的中枢神经，负责动作和谐，别的的呆板人主控就是大脑，负责处理惩罚外界信息，同一指挥，呆板人扩展的传感器就是感官体系，负责吸取外界信息。

　　（新手必看）简单说一下舵机控制板是什么：舵机控制板字面意思就是具有控制舵性能力的电路板，是一种写好舵机驱动控制程序的单片机成品模块，重要功能就是驱动多路舵机，然后内部程序又写好了与外部装备举行通讯的串口协议，如许外部装备就能发送特定的指令给舵机控制板，间接的控制多路舵机。舵机控制板就是如许的功能，它只是呆板人控制体系的一部分，把舵机驱动控制的程序分离出来单独做成了一个软硬件模块，假如做过智能小车那就好明白了，舵机控制板在仿生呆板人中的作用跟电机驱动模块在智能小车里的作用是一样了，只不外前者看着要比后者高级些。脱机运行：字面意思就是能离开电脑运行，有两个方法，一个是按照仿生呆板人的制作思绪，在呆板人主控的程序里写入调试好的动作，主控检测外界信息来触发相应的动作发送给舵机控制板，如许就实现了脱机运行；别的一种就是把调好的动作组存到舵机控制板上的存储器中，然后还是用外部装备来发送单个动作组指令给舵机控制板，大概设置存储的某个动作组在每次重新上电后运行。这两种方法区别就是后者省去了前者在主控程序里复制粘贴动作指令这个步调。但实际上动作组存储这个功能只是在呆板人入门中有点作用，而且还是懒人专用，在后期的高阶学习中，呆板人主控必要不绝检测各种传感器数据，分析融合，及时天生动作发给舵机控制板来控制呆板人姿态。舵机控制板上存储的动作组只是事先预设的，在必要固定动作套路的场合是有效的，在无规律判定场合就没用了。

伺服电机、舵机、步进电机的区别

　　怎么去区分伺服电机、舵机、步进电机呢？电机种类有很多种，差别的电机的长处、缺点各不雷同，因此用途也差别。这里简单的讲下伺服电机、舵机、步进电机的区别，只管的让各人通熟易懂。

　　着实伺服电机是这么一种电机，它重要用于比力精准的位置、速率或力矩输出。正确地说，伺服电机不是说一个电机，而是一个体系。以是仅仅一台电机都不能算是伺服电机，由于他们并不具备伺服电机的功能。伺服电机是一个电机体系，它包罗电机、传感器和控制器。直流无刷电机可以是伺服电机内里的一部分，交换电机也可以是，但他们并不是伺服电机。作为一个体系，它可以有减速齿轮，也可以没有。

　　那么舵机是什么呢？舵机是个俗称，是玩航模、船模的人起的。由于这种电机比力常用于舵面利用。

　　舵机，着实就是个低端的伺服电机体系，它也是最常见的伺服电机体系，因此英文叫做Servo，就是Servomotor的简称。它将PWM信号与滑动变阻器的电压相比对，通过硬件电路实现固定控制增益的位置控制。也就是说，它包罗了电机、传感器和控制器，是一个完备的伺服电机（体系）。代价低廉、布局紧凑，但精度很低，位置冷静本领较差，可以或许满意很多低端需求。

　　步进电机英文是stepper/step/steppingmotor。重要是依靠定子线圈序列通电，顺次在差别的角度形成磁场，推拉定子旋转。

　　步进电机的长处是，你可以省掉用于丈量电机转角的传感器。因此在布局上和代价上有肯定的上风。而且它的位置和速率控制相对简单。其缺点是，第一，与划一功率的电机相比载荷比力小，没有角度传感器的环境下不能输出大力大举矩。第二，功耗相对较大，要么全开，要么全关。以是要么靠近满功耗，要么就不能着力。（具体缘故起因和布局可以查阅相干资料，网上到处都是，并不难以明白，我这里就不冗述了）

　　因此步进电机一样平常只用于载荷较小而且非常确定、位置精度要求并不非常高，对体积敏感或在较低代价想要做到较高可靠性的场合。最常见的就是光驱、扫描仪、复印机等等。固然，它和舵机一样，也受到没有本领自行搭建伺服电机体系的业余爱好者的喜好，在一些业余项目上面用于更换完备的伺服电机体系。

　　那么举个简单的例子。扫描仪（包罗如今商务打印机内里的扫描仪）常常有一个动作，就是在真正扫描之前，扫描器要从滑轨一头先快速活动到另一头。着实那是体系在找位置零点。那内里用的是一个步进电机，它驱动扫描器活动。但是开始实行扫描任务时，体系并不知道谁人扫描器简直切位置（由于没有位置传感器），以是它只能先驱动扫描器向滑轨另一边走。在滑轨的谁人止境，有一个触碰开关，一旦扫描器碰到它，就会产生电信号。如许体系就知道扫描器走到了止境，这时间就确定了扫描器的位置，如许就可以开始扫描了。这个步进电机在实行完任务后会关闭（由于功耗不低），因此一旦有震动什么的，扫描器很轻易移位。以是下一次步进电机上电以后，要重新实行一遍前面说的谁人动作去确定扫描器的位置。

　　文章泉源：呆板人2025

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