舵机简介

舵机简介微型伺服电机内部结构：伺服电机（外形见图1）内部包括一只小型直流电机；变速齿轮组；反馈可调电位器及电子控制板处理输入的脉冲信号。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，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测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，当电流流经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，于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之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。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。目前新推出的FET舵机，主要是采用FET(FieldEffectTransistor)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。内部机构见图2（其介绍上说输出力矩4kg/cm）图1图2伺服电机的工作原理：伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。标准的伺服电机有三条控制线。分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制电路所需的能源，电压通常介于4V—6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。伺服电机的电源引线：伺服电机电源引线三条线中橙色的线是控制线，连到控制芯片上。红色的线是电源正极线，工作电压是5V。黑色的是地线。伺服电机的控制：伺服电机的控制端需输入周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms—2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格。下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂在180˙范围内转动时与输入脉冲的对应关系：舵机的技术参数：厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(mm)、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FutabaS-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，还会伴随著高耗电的特点。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。伺服电机使用的注意事项：伺服舵机转角在0~180°，当高电平脉冲大于2.5ms，，一般没有自我保护的舵机，都会使转角超出正常的范围，使内部直流电机处于堵转状态，一两分钟就会使舵机发烫，甚至烧坏舵机。使用时，尽量让舵机在-45°到45°之间转动，这范围内舵机转角也更精准。