【单片机毕业设计模块选型】SG90舵机的原理与使用全解析

SG90 舵机：原理与使用全解析

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在机器人、航模、智能家居控制等场景中，SG90 舵机凭借体积小、重量轻、成本低且控制精度较高的优势，成为电子爱好者和工程师的常用执行元件。它能精准控制旋转角度（通常为 0°-180°），为设备提供稳定的机械动作输出。本文将从基本概念出发，深入解析其工作原理，并详细介绍实际使用方法，帮助读者快速掌握 SG90 舵机的核心知识。

一、SG90 舵机的基本认知

SG90 属于微型模拟舵机，是消费级电子领域应用最广泛的舵机型号之一。其核心参数如下，这些参数决定了它的适用场景：

• 尺寸：约 23.5mm×12.2mm×29mm（长 × 宽 × 高），小巧的体积使其能轻松嵌入小型设备（如迷你机器人、机械爪）。

• 重量：仅约 9g，对设备整体重量影响极小，适合航模、无人机等对负重敏感的场景。

• 旋转角度：标准量程为 0°-180°，部分改装型号可扩展至 0°-270°，但精度会略有下降。

• 扭矩：在 4.8V 电压下约为 1.8kg・cm，6V 电压下约为 2.2kg・cm，足以驱动轻量级负载（如塑料齿轮、小型机械臂关节）。

• 响应速度：在 4.8V 电压下，转动 60° 约需 0.12 秒，反应灵敏，适合需要快速动作的控制场景。

• 供电电压：推荐范围为 4.8V-6V，通常使用锂电池、稳压模块或 Arduino 外接电源供电（注意：若直接使用 Arduino 5V 引脚供电，需避免同时驱动多个舵机导致过载）。

二、SG90 舵机的工作原理

SG90 舵机的核心是 “接收控制信号 - 对比当前位置 - 驱动电机调整” 的闭环控制流程，其内部结构和信号处理逻辑是实现精准控制的关键。

1. 内部结构：四大核心部件协同工作

SG90 舵机的外壳内部集成了直流电机、减速齿轮组、电位器（位置传感器）和控制电路板，各部件分工明确，共同完成角度控制任务：

• 直流电机：提供原始动力，转速较高但扭矩小，无法直接驱动负载完成精准角度转动。

• 减速齿轮组：由多个齿轮组成，核心作用是 “降低转速、放大扭矩”。电机输出的高速低扭矩动力经过齿轮组减速后，转化为低速高扭矩的动力，驱动舵机摆臂（输出轴）转动，同时保证摆臂在负载下不易偏移。

• 电位器：本质是一个可变电阻，与舵机摆臂机械连接，摆臂的每一个角度都对应电位器的一个固定电阻值。它的作用是 “实时检测摆臂当前位置”，并将位置信号（电阻值变化）转化为电信号反馈给控制电路板。

• 控制电路板：舵机的 “大脑”，集成了信号比较器、驱动电路等。其核心功能是：接收外部输入的控制信号（PWM 信号），将其与电位器反馈的当前位置信号进行对比，根据差值驱动电机正转或反转，直到摆臂到达控制信号指定的角度。

2. 控制逻辑：PWM 信号如何决定角度？

SG90 舵机通过PWM（脉冲宽度调制）信号实现角度控制，这是理解其工作原理的核心。PWM 信号是一种周期性的方波信号，其 “脉冲宽度”（高电平持续时间）决定了舵机的旋转角度，具体规则如下：

• 信号周期固定：SG90 舵机要求 PWM 信号的周期为 20ms（即频率为 50Hz），这是舵机识别控制信号的前提。如果周期偏离 20ms 过多，舵机可能无法正常响应。

• 脉冲宽度对应角度：在 20ms 的周期内，高电平的持续时间（脉冲宽度）与舵机角度呈线性对应关系，标准对应范围为：

  • 脉冲宽度 1ms（即 0.5ms-1.5ms 区间的中间值，不同厂家略有差异）：舵机摆臂转动到0° 位置；

  • 脉冲宽度 1.5ms：舵机摆臂转动到90° 位置（中立位，也是舵机上电后的默认初始位置）；

  • 脉冲宽度 2ms：舵机摆臂转动到180° 位置。

• 闭环反馈调节过程：当外部控制器（如 Arduino、STM32）输出 PWM 信号后，舵机控制电路板会将信号中的脉冲宽度转化为 “目标角度电压”，同时读取电位器反馈的 “当前角度电压”。若两者存在差值：

  • 若目标角度 > 当前角度：驱动电路控制电机正转，摆臂带动电位器转动，直到反馈电压与目标电压一致，电机停止；

  • 若目标角度 < 当前角度：驱动电路控制电机反转，同理直到摆臂到达目标角度，电机停止。

    这一过程无需外部干预，由舵机内部自动完成，因此称为 “闭环控制”，也是舵机比普通电机更精准的核心原因。

三、SG90 舵机的使用方法

掌握 SG90 舵机的使用，需从硬件连接、控制器选择、角度调试三个环节逐步推进，重点关注供电稳定性和信号正确性，避免因连接错误导致舵机损坏。

1. 硬件连接：三线接口的正确接法

SG90 舵机的引出线通常为三根（部分型号为四根，多一根备用信号线），颜色标准为棕色（GND，地线）、红色（VCC，电源线）、橙色（Signal，信号线），连接时需严格对应控制器的接口，具体规则如下：

• 棕色线（GND）：必须与控制器（如 Arduino）的 GND 引脚连接，保证舵机与控制器的 “地电位” 一致，避免信号干扰导致控制失灵。

• 红色线（VCC）：连接至 4.8V-6V 的电源。注意：

  • 若仅驱动 1 个 SG90 舵机，可临时使用 Arduino 的 5V 引脚供电，但需避免同时驱动其他高功耗模块（如电机、传感器）；

  • 若驱动多个舵机（2 个及以上），必须使用外接电源（如 2 节锂电池串联为 7.4V，需搭配 5V 稳压模块），且外接电源的 GND 需与控制器 GND 共地（否则会出现角度漂移、无响应等问题）。

• 橙色线（Signal）：连接至控制器的 PWM 输出引脚。不同控制器的 PWM 引脚标识不同（如 Arduino Uno 的 3、5、6、9、10、11 引脚），需选择支持 PWM 输出的引脚（通常引脚旁标有 “~” 符号）。

2. 控制器选择：适配不同应用场景

SG90 舵机的控制本质是 “输出符合要求的 PWM 信号”，因此只要能产生周期 20ms、脉冲宽度 1ms-2ms 的 PWM 信号的设备，均可作为其控制器，常见选择如下：

• Arduino/STM32 等单片机：最常用的控制方案，适合需要与其他传感器（如红外、超声波）联动的场景（如自动避障机器人的转向控制）。通过编程可灵活调整 PWM 信号的脉冲宽度，实现角度的精准控制和动态调节。

• 舵机控制器模块：如 PCA9685 16 路舵机控制器，适合同时驱动多个舵机（最多 16 个）的场景（如多自由度机械臂、人形机器人）。只需通过 I2C 协议与单片机通信，即可轻松控制多个舵机，避免单片机 PWM 引脚不足的问题。

• 遥控器 + 接收机：在航模、遥控车等场景中，可直接使用遥控器（如富斯 FS-i6）的通道输出 PWM 信号，通过接收机连接舵机，实现手动无线控制（如航模的方向舵、升降舵控制）。

3. 角度调试：从校准到实际应用

调试的核心是 “让舵机的实际角度与目标角度一致”，需分两步进行：

• 初始校准：舵机上电后，默认会转动到 90° 中立位。若摆臂未在中立位（如偏向 0° 或 180°），需断电后手动调整摆臂位置：拧下舵机输出轴的固定螺丝，将摆臂转到 90° 方向，再拧紧螺丝固定。校准后重新上电，摆臂应稳定在中立位，无明显抖动（若抖动，可能是供电电压不足或 PWM 信号周期异常）。

• 角度调节：根据控制器类型，通过调整 PWM 信号的脉冲宽度实现角度控制：

  • 若使用单片机，通过编程修改 PWM 信号的高电平持续时间（如 Arduino 中使用analogWrite()函数或Servo库，Servo.write(angle)函数可直接输入角度值，库会自动将角度转化为对应脉冲宽度）；

  • 若使用舵机控制器，通过软件（如串口调试助手）发送指令，设定目标角度对应的脉冲宽度；

  • 若使用遥控器，通过操作摇杆，遥控器会自动改变输出 PWM 信号的脉冲宽度，舵机摆臂会随摇杆动作同步转动。

4. 使用注意事项：避免损坏与提升稳定性

• 避免过载：SG90 舵机的扭矩较小，不可驱动超过其扭矩的负载（如金属重物、卡顿的机械结构），否则会导致电机堵转，电流骤增，烧毁控制电路板或电机。

• 防止强行掰动摆臂：舵机工作时，内部电机和齿轮组处于受力状态，强行用手掰动摆臂会损坏齿轮组（尤其是塑料齿轮），导致舵机精度下降或卡死。

• 保证供电稳定：电压波动会导致舵机角度漂移、抖动甚至无响应。建议使用线性稳压电源（如 7805 稳压芯片）或开关稳压模块，避免使用不稳定的电池（如电量不足的干电池）。

• 控制信号连续性：SG90 舵机需要持续的 PWM 信号来维持当前角度。若停止输出 PWM 信号，舵机内部电机将失去驱动力，摆臂会在负载作用下偏移。因此，在需要保持角度的场景（如机械爪抓握物体），需持续输出对应 PWM 信号。

四、常见问题与解决方法

在使用 SG90 舵机时，可能会遇到一些常见问题，通过针对性排查可快速解决：

• 问题 1：舵机无响应

  排查方向：① 接线是否正确（尤其是 GND 是否共地、Signal 是否接对 PWM 引脚）；② 供电电压是否在 4.8V-6V 范围内；③ 控制器是否正常输出 PWM 信号（可用示波器检测信号周期和脉冲宽度）。

• 问题 2：舵机角度漂移或抖动

  排查方向：① 供电电压不稳定（更换电源或增加电容滤波）；② 电位器磨损（更换舵机）；③ 控制信号受到干扰（将信号线与电源线分开布线）。

• 问题 3：舵机转动角度不足或超过 180°

  排查方向：① 脉冲宽度是否在 1ms-2ms 范围内（若角度不足，可适当增大脉冲宽度上限；若超过，可减小下限）；② 舵机内部齿轮组是否卡顿（拆解检查齿轮是否损坏）。

SG90 舵机作为一款高性价比的微型执行元件，其原理清晰、使用门槛低，是电子入门和小型项目开发的理想选择。掌握其工作原理和使用方法后，可灵活应用于机器人转向、机械臂关节控制、智能家居阀门调节等众多场景。只要注意供电稳定、避免过载，就能充分发挥其精准控制的优势，实现各类创意项目。