【伺服电机/舵机与Arduino使用教程】

什么是伺服电机？

我们已经构建了一些使用电机来移动物体的项目，并且在此过程中我们研究了一些可以通过 Arduino 和 Raspberry Pi 项目控制的不同类型的电机。
我们已经使用过几次基本的直流电机。我们建立了几个基于直流电机的机器人项目，我们还广泛研究了H 桥控制器，该控制器通常用于通过微控制器或微型计算机调节直流电机的速度和方向。

我们使用过的另一种电机是步进电机。这种类型的电机的轴以不连续的步进方式驱动，可以实现非常精确的控制。它们广泛用于打印机和机器人设计。

我们在许多实验中使用了另一种类型的电机，但尚未（尚未）详细研究 - 伺服电机。
伺服电机是一种低速、高扭矩电机，具有多种尺寸。与直流电机和步进电机不同，伺服电机通常不会旋转完整的 360 度。相反，它被限制在 180、270 或 90 度的范围内。

控制信号被发送到伺服系统以将轴定位在所需的角度。这种单一信号的安排使得伺服系统可以简单地用于无线电和遥控设计，以及微控制器。

如果您需要定位船上的方向舵或飞机上的电梯，伺服系统是完美的选择。它们在机器人工作中非常有用，可以定位相机、传感器或机器人附件。

伺服系统也可以用作速度计和转速计等模拟仪表。

伺服电机的类型

伺服电机本质上是一种电机，它具有用于指定电机轴位置的控制信号输入。

伺服系统用于工业以及业余爱好应用。工业伺服系统通常是带有数字控制输入的交流电机，成本高达数百或数千美元。

我们今天不会使用工业伺服电机！

爱好者伺服电机通常是直流电机，可以用数字或模拟信号控制。

数字伺服系统用于需要快速响应的应用，例如飞机上的电梯或直升机上的方向舵。我们也不会使用这些类型的电机，尽管使用 Arduino 驱动它们的连接和代码与我们将用于模拟伺服系统的相同。

我们将使用普通的普通模拟伺服电机，这是最受爱好者使用的类型。它们价格低廉且易于获得。安装硬件也很容易找到，因为这些伺服系统是一组标准尺寸。

然而，应该注意的是，虽然我们今天不会使用数字伺服电机，但它们实际上非常类似于模拟电机。它们使用与模拟伺服电机相同的 PWM 控制信号，并且可以使用相同的电路和代码进行控制。

模拟伺服电机

模拟伺服电机价格低廉，有多种尺寸和额定值可供选择。当您需要一个可以精确定位且不会耗尽资金的微型高扭矩电机时，这是完美的选择。

模拟伺服电机的“模拟”部分是控制信号。模拟伺服电机响应脉冲宽度调制或 PWM 信号来定位其电机轴。

PWM 是一种理想的控制介质。它可以由简单的定时器电路或微控制器生成。它可以通过单根电线发送，也可以通过无线电或光束传输。

Arduino 有许多支持 PWM 的输出引脚，使其成为控制伺服电机的理想选择。

伺服系统如何工作？

伺服电机是一种内置“伺服机构”的电机。

伺服机构使用传感器监测电机轴位置，并使用控制器控制电机。它收到一个信号，指示轴应该设置到的位置。然后它将电机移动到所需位置。

在模拟伺服电机中，我们将使用的控制信号是 PWM 信号，其脉冲宽度决定了电机轴的定位角度。电机本身是一个简单的直流电机，带有许多齿轮装置以降低速度并增加扭矩。

为了正常运行，伺服电机需要一个能够准确测量其轴位置的传感器。在一些工业和高端业余爱好伺服电机上，这是使用光学断续盘完成的，但在大多数标准业余爱好伺服电机中，传感器是一个电位器。这很有效，因为这些伺服系统通常移动 180 到 270 度，正好在电位计的范围内。然而，电位计的精度，尤其是在低成本伺服电机中，会影响伺服机构的整体精度。

连续旋转伺服电机

标准模拟伺服电机的旋转方向受到限制，通常为 180 或 270 度（180 度是目前最常见的）。其内部齿轮以小而便宜的包装提供高扭矩动力组。

小尺寸和大扭矩的结合也使伺服系统在小型玩具和机器人等小型设备的设计中用作标准直流电机的替代品具有吸引力。这促使一些人通过移除电位器来修改标准模拟伺服系统，使伺服系统能够旋转 360 度。

制造商得到了消息，现在提供“连续旋转伺服电机”，本质上是伺服机构脱离的伺服电机。

在连续旋转伺服电机中，轴旋转的速度和方向由传统模拟伺服电机中使用的相同 PWM 信号控制。

具有简单的单线控制信号和与标准伺服电机相同的物理封装使得连续旋转伺服电机对许多应用具有吸引力。

伺服电机控制信号

为了使用模拟伺服电机，您需要了解如何使用 PWM 控制它们的运行。这两个品种，常规和连续旋转，使用相同的定时信号，但对它们的响应略有不同。

让我们来看看大多数模拟伺服电机中使用的 PWM 信号。

常规伺服电机时序
在传统的模拟伺服电机中，周期为 20 毫秒的 PWM 信号用于控制电机。20 ms 的信号具有 50 Hz 的频率。

脉冲宽度在 1 到 2 毫秒之间变化，以控制电机轴位置。
1.5ms 的脉冲宽度将使伺服轴停留在 90 度位置，即其行程的中心。
1ms 的脉冲宽度将使伺服轴停在 0 度位置。
2ms 的脉冲宽度将使伺服轴停留在 180 度位置。
在 1ms 和 2ms 之间改变脉冲宽度将使伺服轴移动 180 度。通过相应地调整脉冲宽度，您可以将其置于任何您想要的角度。

连续旋转伺服电机时序

在连续旋转的伺服电机中，相同的 PWM 信号会导致电机运行不同。

1.5ms 的脉冲宽度将导致伺服轴停止旋转。
1ms 的脉冲宽度将导致伺服轴逆时针全速旋转。
2ms 的脉冲宽度将使伺服轴顺时针全速旋转。
在 1ms 和 1.5ms 之间改变脉冲宽度将使电机逆时针旋转，较短的脉冲宽度会使电机旋转得更快。

在 1.5ms 和 2ms 之间改变脉冲宽度将导致电机顺时针旋转，脉冲越长，速度越快。

商用连续旋转伺服电机将有一个调节电位器，可用于在电机输入 1.5ms 脉冲宽度时将速度归零。

速度

伺服电机的速度指定为将伺服轴移动 60 度所需的时间。
示例评级为 0.25 秒/60°，这意味着需要四分之一秒才能移动 60 度。

伺服速度更适用于传统伺服电机，连续旋转电机与任何直流电机一样额定为最大 RPM。

高速舵机用于模型飞机和直升机应用，以控制通常需要快速移动的升降舵和方向舵。其中许多使用数字控制和内部光学位置传感器而不是电位计，以实现更快速的运动。

对于业余爱好应用，例如控制摄像机的位置或超声波传感器速度通常不是关键因素。

力矩

扭矩是一个非常重要的参数，它从字面上说明了电机的强度。

扭矩定义为伺服可以施加到杠杆上的力的大小，或者换句话说，它可以承受多少重量。

它以盎司英寸或千克厘米为单位。您可以手动转换如下：

将千克厘米乘以 13.88 得到盎司英寸。
将盎司英寸除以 13.88 得到千克厘米。
另一种方法是使用在线变矩器。

要了解扭矩数据与现实世界条件的关系，请考虑以下示例：

伺服电机的额定重量为 5 kg-cm。这也与 69.4 盎司英寸 (5 x 13.88 = 69.4) 相同。

伺服电机在距离轴心 1 厘米的杠杆上最多可承受 5 千克的负载。如果您更喜欢英制尺寸，那么它可以在 1 英寸的距离处承受 69.4 盎司（约 4.3 磅）的负载。

距离增加一倍时，负载将减半，因此在距离轴 2 厘米处，杠杆可以支撑 2.5 千克。

一半的距离使可支撑的负载增加一倍，达到 10 公斤。

更大的伺服电机往往具有更大的扭矩能力，具有更大扭矩的电机往往更昂贵。它们的重量也更重，消耗的电流也更多。

工作电压

大多数业余爱好模拟舵机的额定电压为 4.8 至 6 伏，并在较高电压下实现其最大性能。

还提供更多的伺服系统，最大额定电压为 7.5 至 8.5 伏。由于模型飞机、船只、车辆和四轴飞行器的 7.4 伏锂聚合物电池的可用性，这些电池变得越来越流行。

伺服电机，尤其是高扭矩型号，会消耗相当多的电流，在为您的项目选择电源或电池时需要考虑到这一点。

伺服电机连接

模拟伺服电机通常有一个 3 针连接器。在一些更昂贵的电机上，电机电缆可以在电机底座上拆下并在需要时更换，其他电机的连接器永久连接到短的 3 线电缆上。

爱好者伺服电机上使用的颜色代码因制造商而异。然而，大多数制造商观察到相同的引出线，如下图所示：

与伺服电机的三个连接如下：
GND——电机和逻辑的公共地。
VCC——为伺服器供电的正电压。
PWM——PWM 控制信号的输入。
最常见的连接器是标准的杜邦连接器，间距为 0.1 英寸。这使得使用标准杜邦头条将伺服电机连接到您的项目变得容易。

您还可以将面包板电线直接插入伺服系统 3 针连接器，这样您就可以使用伺服电机制作原型。

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