走進舵機世界

楊磊

編者按：1820年7月21日，丹麥物理學(xué)家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特（Hans Christian Oersted）發(fā)表了題為《關(guān)于磁針上電沖突作用的實驗》的文章，闡述其發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)現(xiàn)象。這篇短短的論文在歐洲物理學(xué)界產(chǎn)生了極大震動，使得大批實驗成果出現(xiàn)，由此開辟了物理學(xué)的新領(lǐng)域——電磁學(xué)。法拉利受此啟發(fā)，于1821年完成其第一項重大的電發(fā)明——世界上第一臺電動機。1873年，比利時人格拉姆發(fā)明大功率電動機，電動機從此開始大規(guī)模用于工業(yè)生產(chǎn)。進入二十一世紀，電動機的應(yīng)用已經(jīng)和人們生產(chǎn)生活融為一體。電動機是電動舵機的核心組件。舵機是指在自動駕駛儀中操縱飛機舵面（操縱面）轉(zhuǎn)動的一種執(zhí)行部件，分為電動舵機和液壓舵機，電動舵機由電動機、傳動部件和離合器組成，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前，在高檔遙控玩具，如飛機模型、潛艇模型、遙控機器人中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。

什么是電動機

電動機（Motor）是一種把電能轉(zhuǎn)換成機械能的旋轉(zhuǎn)式電動設(shè)備。它主要由一個用以產(chǎn)生磁場的定子繞組（即通電線圈）和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子（如鼠籠式閉合鋁框）組成。定子繞組在通電情況下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通電情況下的轉(zhuǎn)子受旋轉(zhuǎn)磁場作用發(fā)生轉(zhuǎn)動，因此電流方向和磁場方向決定轉(zhuǎn)子的受力方向。簡而言之，電動機的工作原理是磁場對電流受力，使電動機轉(zhuǎn)動。

電動機根據(jù)工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機；按用途可分為驅(qū)動用電動機和控制用電動機。驅(qū)動用電動機又分為電動工具用的電動機、家用的電動機和其他通用小型機械設(shè)備用的電動機。控制用電動機則分為步進電動機和伺服電動機等。

制動用電機及其分類

控制用電動機是根據(jù)使用場合、使用目的、電動機類型的不同，通過在電動機組件中安插測量和比較元件、放大元件、執(zhí)行和計算元件等功能元件，實現(xiàn)電動機按照設(shè)定的方向、速度、角度和響應(yīng)時間的指令進行工作的功能，達到電動機快速啟動、快速響應(yīng)、高效率、高轉(zhuǎn)矩輸出及高過載能力的目的。其分為步進電動機和伺服電動機。

1.步進電動機（Stepping Motor）

步進電動機是一款將接收到的數(shù)字控制信號（即電脈沖信號）轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的開環(huán)控制感應(yīng)電機，它是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。它由一個驅(qū)動器和一個步進電機組成（如圖1）。驅(qū)動器是步進電動機的控制器，它是一塊將脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）集合在一起的電路板（如圖2）。步進電動機主要包括轉(zhuǎn)子（齒輪）和定子（繞有線圈）。

驅(qū)動器將輸入的直流電分解成可分時供電的、多相時序控制的電流（即多個脈沖信號），然后將多個脈沖信號依次輸入電機中的定子繞組中的不同相對電線圈，通電線圈產(chǎn)生一定方向的磁場，磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對齊時，轉(zhuǎn)子完成一個固定角度（也稱為“步距角”）的轉(zhuǎn)動。定子每收到一個脈沖信號，定子中指定的相對線圈得電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個角度，如此每相不停地輪流通電，轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)由電脈沖信號轉(zhuǎn)換成離散的機械運動的功能。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，因為它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。因為步進電動機沒有積累誤差，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，所以它被廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制設(shè)備中，如數(shù)控機床、自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達等。

那什么是開環(huán)控制？它對步進電動機的性能產(chǎn)生何種影響？

開環(huán)控制是指無反饋信息的系統(tǒng)控制方式。當操作者啟動系統(tǒng)，使之進入運行狀態(tài)后，系統(tǒng)將操作者的指令一次性輸向受控對象。此后，操作者對受控對象的變化便不能做進一步的控制。由于開環(huán)控制一般是在瞬間就完成的控制活動，所以采用開環(huán)控制設(shè)計的人機系統(tǒng)，操作指令的設(shè)計十分重要，一旦出錯，將產(chǎn)生無法挽回的損失。

因步進電動機具有開環(huán)控制的特點，所以它在脈沖頻率過高或者負載較大情況下，容易造成失步，即沒有轉(zhuǎn)到位；低轉(zhuǎn)速運行時，容易發(fā)生異常抖動。對比伺服電機來說，步進電動機精確度較低。這個缺點決定了步進電機的工作轉(zhuǎn)速不能太高，一般都是在300～500轉(zhuǎn)/分鐘。因此步進電動機適用場合，要么不需要位置反饋，對精準度要求不高，要么通過其他設(shè)備進行位置反饋，提高精準度。

2.伺服電動機 （Servo Motor）

也稱執(zhí)行電動機，它具有一種服從控制信號的要求而動作的職能。在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當信號消失，轉(zhuǎn)子能及時自行停轉(zhuǎn)。按照自動控制系統(tǒng)的功能要求，伺服電動機必須具備可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強等基本性能。常用的伺服電動機有兩大類，以直流電源工作的稱為直流伺服電動機，以交流電源工作的稱為交流伺服電動機。

伺服電動機通常由驅(qū)動器、電機和傳感器組成（如圖3）。伺服電動機的驅(qū)動器除具備步進電動機驅(qū)動器的功能外，還負責接收電機自帶的編碼器發(fā)出的關(guān)于電機執(zhí)行結(jié)果的反饋信號，并將反饋值與目標值進行比較，隨時調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。相比步進電機，伺服電機因自帶編碼器，使得電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，它每旋轉(zhuǎn)一個角度后，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機各自發(fā)出的脈沖彼此呼應(yīng)，形成閉環(huán)控制。編碼器的精度決定了伺服電機的精度。傳感器負責采集同電機執(zhí)行結(jié)果有關(guān)的物理機械參數(shù)，如速度、位置和力矩，然后將采集到的數(shù)據(jù)輸入電機中的編碼器中，從而讓電機發(fā)出反饋脈沖信號。正是由于伺服電動機具有閉合控制的特點，使得由電機輸出的關(guān)于物體的位置、方位、狀態(tài)等被控量能夠跟隨輸入目標值（或給定值）的變化而變化。因此，伺服電動機只要負載在額定范圍內(nèi)，就能達到很高的精度，主要用于比較精準的位置、速度或力矩輸出，如機床、工業(yè)機械臂、機器人等，定位的精確度可以達到0.001mm。

伺服電動機的閉合控制性在算法上是怎樣實現(xiàn)的呢？

當前交流伺服電動機的閉環(huán)控制原理主要是基于矢量控制的電流、速度、位置三個閉環(huán)控制算法來實現(xiàn)的，其中速度閉環(huán)設(shè)計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用。

舵機的概念及其工作原理

1.什么是舵機

舵機（Servo），從英文名稱看，就是一款伺服電動機。它具備伺服電動機所具有的閉環(huán)控制特性，只是作為簡化版，它將原本伺服電動機的三環(huán)控制（即速度、位置和電流）簡化成一環(huán)控制，也就是只有檢測位置環(huán)。除此之外，舵機內(nèi)部增加了一個減速齒輪組，這是伺服電動機所不具備的。其內(nèi)部控制器一般是接收PWM信號（舵機提升內(nèi)部配置后，也可輸入數(shù)字信號）來控制旋轉(zhuǎn)角度。因此，舵機也被視為低配版的小型直流的位置（角度）伺服的電機。舵機最早是被人們用來稱呼輪船甲板上的一種大型機械，后來國內(nèi)把應(yīng)用在船模、航模和小型機器人中的伺服電動機也稱為“舵機”，“舵機”因此而得名。

2.舵機的內(nèi)部構(gòu)成及工作原理

舵機主要是由外殼、電路板、電機、減速齒輪組與位置檢測器所構(gòu)成（如圖4）。其工作原理是由接收機發(fā)出信號給舵機，經(jīng)由舵機內(nèi)部電路板上的芯片判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，通過減速齒輪組將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達定位（如圖5）。齒輪組的作用主要是將力量放大，使小功率電機產(chǎn)生大扭矩。位置檢測器其實就是可變電阻，當舵機轉(zhuǎn)動時電阻值也會隨之改變，藉由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。低配版的位置檢測器使用的是電位器，高配版則使用霍爾傳感器或光柵編碼器來增強精度控制。

通常廠商所提供的舵機規(guī)格資料，都會包含外形尺寸（mm）、扭力（kg/cm）、速度（秒/60度）、測試電壓（V）及重量（g）等基本資料。扭力的單位是kg/cm，意思是在擺臂長度1厘米處，能吊起幾千克重的物體。這就是力臂的概念，因此擺臂長度愈長，則扭力愈小。速度的單位是秒/60度，意思是舵機轉(zhuǎn)動60度所需要的時間。一般舵機旋轉(zhuǎn)的角度范圍是0度到180度。

3.舵機的控制原理概述

舵機的接收機將接收到的控制信號傳入電路板中的信號調(diào)制芯片，信號調(diào)制芯片將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流偏置電壓。電路板的內(nèi)置電路先將獲得的直流偏置電壓與位置檢測器的電壓進行比較，再將所得正（或負）電壓差輸出到電機驅(qū)動芯片來驅(qū)動電機向正（或反）轉(zhuǎn)。在電機轉(zhuǎn)速一定的情況下，減速齒輪帶動位置檢測器旋轉(zhuǎn)。由于位置檢測器是個可變電阻，其阻值大小隨電機旋轉(zhuǎn)角度的變化而發(fā)生變化，相應(yīng)地，可變電阻兩端的電壓也隨之改變，直至電機旋轉(zhuǎn)到指定角度后，電壓差為零，電機才停止轉(zhuǎn)動。

4.舵機的PWM信號及其工作原理

PWM（Pulse Width Modulation），即脈沖寬度調(diào)制，簡稱脈寬調(diào)制。它是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，并廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。其工作原理是通過使用高分辨率計數(shù)器，對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需的波形（含形狀和幅值）。如圖6正弦半波轉(zhuǎn)換PWM波示例，a）圖正弦半波被N等分，這樣整個正弦半波被看成N個相連的脈沖序列，脈沖寬度相等，但幅值不等；b）圖中矩形脈沖代替a）圖中對應(yīng)的等分部分，這些矩形等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度可按正弦規(guī)律變化。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率、它具有諧波小、響應(yīng)快的優(yōu)點。

舵機的伺服系統(tǒng)就是由可變寬度的脈沖（即PWM）來進行控制。其外接三根控制線來傳送脈沖，這三根線，分別用棕、紅、橙三種顏色進行區(qū)分，由于舵機品牌不同，顏色也會有所差異，棕色為接地線，紅色為電源正極線，橙色為信號線。一般而言，舵機的基準信號都是周期為20ms，高電平寬度為1.5ms。這個基準信號定義的位置為中間位置。比較信號線的PWM信號與基準信號，內(nèi)部的電機控制板得出一個電壓差值，將這個差值加到電機上控制舵機轉(zhuǎn)動?？刂贫鏅C的高電平范圍為0.5ms到2.5ms，0.5ms為最小角度，2.5ms為最大角度。另外，不同舵機的最大轉(zhuǎn)動角度可能不相同，但是其中間位置的脈沖寬度是一定的，那就是1.5ms。

角度是由來自控制線的持續(xù)的脈沖所產(chǎn)生，這種控制方法叫做脈沖調(diào)制。脈沖的長短決定舵機轉(zhuǎn)動多大角度，例如，1.5ms脈沖會轉(zhuǎn)動到中間位置（對于180度舵機來說，就是90度的位置）。當控制系統(tǒng)發(fā)出指令，讓舵機移動到某一位置，并讓它保持這個角度，這時外力的影響不會讓角度產(chǎn)生變化，但這個外力是有上限的，上限就是它的最大扭力。除非控制系統(tǒng)不停地發(fā)出脈沖穩(wěn)定舵機的角度，否則舵機的角度不會一直不變。當舵機接收到一個小于1.5ms的脈沖，輸出軸會以中間位置為標準，逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度；接收到的脈沖大于1.5ms，則情況相反。通常不同品牌甚至同一品牌的不同舵機，都會有不同的最大值和最小值。

5.180度舵機和360度舵機

我們知道，所有的舵機（特殊定制舵機除外）都是由PWM控制的，也就是說舵機控制板輸出的是PWM信號。但在實際使用中，根據(jù)具體需要，舵機有旋轉(zhuǎn)180度和360度之分。二者的PWM信號的控制對象卻大不相同。

①180度舵機的PWM信號控制的是旋轉(zhuǎn)角度。

0.5ms——0度；1ms——45度；1.5ms——90度；2ms——135度；2.5ms——180度。

500～2500μs的PWM對應(yīng)控制180度舵機的0～180度，是一一對應(yīng)的，一個PWM值對應(yīng)舵機的一個角度。具體1DIV=8μs；250DIV=2ms時基址寄存器內(nèi)的數(shù)值為：（#01H）01—（#0FAH）250。共185度，分為250個位置，每個位置叫1DIV。則185÷250=0.74度/DIV，PWM上升沿函數(shù)：0.5ms+N×DIV，0μs≤N×DIV≤2ms，0.5ms≤0.5ms+N×DIV≤2.5ms。

②360度舵機的PWM信號控制的是旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。

0.5ms——正向最大轉(zhuǎn)速；1.5ms——速度為0；2.5ms——反向最大轉(zhuǎn)速。

500～1500μs的PWM控制它正轉(zhuǎn)，值越小，旋轉(zhuǎn)速度越大；1500～2500μs的PWM控制它反轉(zhuǎn)，值越大，旋轉(zhuǎn)速度越大。1500μs的PWM控制它停止（由于每一個舵機的中位可能會不一樣，有些舵機可能是1520μs的PWM，舵機才會停下來，所以需要自己實際測試出舵機的中位）。360度舵機就是一個普通的直流電機和一個電機驅(qū)動板的組合，所以它只能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不能定位，也沒法知道它的角度和圈數(shù)（除非自己在舵機外面加裝其他傳感器）。

單舵機拖動及調(diào)速算法

1.舵機的隨動機構(gòu)

舵機為隨動機構(gòu)，所以：①當其未轉(zhuǎn)到目標位置時，將全速向目標位置轉(zhuǎn)動。②當其到達目標位置時，將自動保持該位置。所以對于數(shù)字舵機而言，PWM信號提供的是目標位置，跟蹤運動要靠舵機本身。③像HG0680這樣的模擬舵機需要時刻供給PWM信號，舵機自己不能鎖定目標位置。所以控制系統(tǒng)是一個目標規(guī)劃系統(tǒng)。

（1）HG14-M舵機的位置控制方法

舵機的轉(zhuǎn)角達到185度，由于采用8為CPM控制，所以控制精度最大為256份。目前經(jīng)過實際測試和規(guī)劃，分了250份。將0～185分為250份，每份0.74度?？刂扑璧腜WM寬度為0.5ms～2.5ms，寬度2ms。2ms÷250=8μs，所以得出：PWM信號=1度/8μs（如圖7及表1）。

（2）HG14-M舵機的運動協(xié)議

運動時可以外接較大的轉(zhuǎn)動負載，舵機輸出扭矩較大，而且抗抖動性很好，電位器的線性度較高，達到極限位置時也不會偏離目標。

2.目標規(guī)劃系統(tǒng)的特征

（1）舵機的追隨特性

角度與時間函數(shù)關(guān)系如圖8所示：

①舵機穩(wěn)定在A點不動。

②CPM發(fā)出B點位置坐標的PWM信號。

③舵機全速由A點轉(zhuǎn)向B點。

△ф=фB-фA

△T=△ф÷ω

④CPM發(fā)出B點PWM信號后，應(yīng)該等待一段時間，利用此時間舵機才能轉(zhuǎn)動至B點。

那么，具體的保持（等待）時間如何計算，講解如下：

令：保持時間為Tw。當Tw≥△T時，舵機能夠到達目標，并有剩余時間；當Tw≤△T時，舵機不能到達目標。理論上：當Tw=△T時，系統(tǒng)最連貫，而且舵機運動得最快。實際過程中由于兩個因素：①1個機器人身上有多個舵機，負載各不相同，所以ω不同。②某個舵機在不同時刻的外界環(huán)境負載也不同，所以ω不同。則連貫運動時的極限△T難以計算出來。目前采取的方法是經(jīng)驗選取ω值。

（2）舵機ω值測定

舵機的ω值隨時變化，所以只能測定一個平均值。或稱出現(xiàn)概率最高的點。

依據(jù)：①廠商的經(jīng)驗值；②采用HG14-M具體進行測試。

測試實驗：①將CPΜ開通，并開始延時Tw。②當延時Tw到達后，觀察舵機是否到達目標。測定時采用一段雙擺程序，伴隨示波器用肉眼觀察Tw與△T的關(guān)系。

（3）舵機ω值計算

一般舵機定為0.16～0.22秒/60度；取0.2秒/60度>>1.2秒/360度>>0.617秒/185度，則ω為360度/1.2秒，2π/1.2秒。ω=300度/秒，那么185度轉(zhuǎn)動的時間為185度÷360度/1.2秒=0.6167秒。

（4）采用雙擺實驗驗證（如圖9）

3.DAV的定義

將185度的轉(zhuǎn)角分為250個平均小份，則每小份為0.74度。定義：DAV=0.74度。由于ω=0.2秒/60度，則運行1DAV所需時間為：0.72度÷0.2秒/60度=2.4ms。

4.DIV的定義

舵機電路支持的PWM信號為0.5ms～2.5ms，總間隔為2ms。若分為250小份，則2ms÷250=0.008ms=8μs，定義：DIV=8μs。那么1DAV（0.74度）對應(yīng)的△T為：0.74度÷60度/0.2秒=2.467ms。

5.單舵機調(diào)速算法

測試內(nèi)容：①將后部下降沿的時間拉至30ms沒有問題，舵機照樣工作。②將后部下降沿的時間拉至10ms沒有問題，舵機照樣工作。③將后部下降沿的時間拉至2.6ms沒有問題，舵機照樣工作。④將后部下降沿的時間拉至500μs沒有問題，舵機照樣工作（如圖10）。

實踐檢驗出：下降沿時間參數(shù)可以做得很小。目前實驗降至500μs，依然工作正常。

原因：①舵機電路自動檢測上升沿，遇上升沿就觸發(fā)，以此監(jiān)測PWM脈寬“頭”。②舵機電路自動檢測下降沿，遇下降沿就觸發(fā)，以此監(jiān)測PWM脈寬“尾”。

△T：舵機運轉(zhuǎn)1DAV（7.4度）所需要的最小時間，目前計算出的數(shù)值為2.467ms；△T前面的20ms等待時間可以省略，舵機依然工作（如圖11）；得出舵機跟隨的最快驅(qū)動方式，如圖12所示。

1.1ms時得出的Tw≈△T；也就是說1.1ms=2.467ms，顯然存在問題。經(jīng)過考慮、重新觀察PWM波形圖發(fā)現(xiàn)，電機真正的啟動點如圖13，A到B的運動時間為：△T=Tw+B點的PWM。

8舵機聯(lián)動單周期PWM指令算法

1.控制要求

要求同時發(fā)給8個舵機位置目標值，該指令的執(zhí)行周期盡量短，目的有兩個：其一，為了將來擴充至24舵機；其二，目標越快，舵機的轉(zhuǎn)動速度越快。以8路為1組或稱1個單位，連續(xù)發(fā)出目標位置，形成連續(xù)的目標規(guī)劃曲線，電機在跟隨過程中自然形成了位置與速度的雙指標曲線，實現(xiàn)8路舵機聯(lián)動。

2.注意事項

24個端口，P0.0、P1.0到P2.0，單DIV循環(huán)的最小時間只有8μs，所以串行運算是不行的，那么就采用并行運算（如下頁圖14）。目前采用的并行算法是P0.0～P0.7為一個基本單位，8位一并。

3.8路PWM信號發(fā)生算法解析

我們預(yù)計將整個周期控制在3.5～5ms內(nèi)，由圖14得知：P1口的8個端在不同時間產(chǎn)生下降沿。那么假設(shè)P1.5口的N為125，那么就需要它在125個DIV后產(chǎn)生下降沿，時間為125×8μs=1000μs。

我們在其中發(fā)現(xiàn)兩個關(guān)鍵參數(shù)：時間參數(shù)N=125、邏輯參數(shù)P1.5=#0DFH。邏輯參數(shù)的定義如表3，采用ANL指令，操作P1口。

例如，將P1.5口產(chǎn)生下降沿，就將#0DFH去“ANL”P1口。邏輯“ANL”指令，逢“0”得“0”，不影響其他位。

4.N排序子程序RAM的制定（如表4、表5）

5.N差子程序解析

所謂N差子程序，要觀察PWM口的邏輯時序特性，要求連續(xù)將8位端口分別產(chǎn)生下降沿。所以有個先后問題，解決的方法有兩種：①打開8個時間中斷。②按先后順序排列，先后觸發(fā)。由于CPΜ不能開啟8個中斷，所以采用后者方法，就可以得出以下結(jié)論：第1個觸發(fā)位所用的時間為N1-0=M1；第2個觸發(fā)位所用的時間為N2-N1=M2；第3個觸發(fā)位所用的時間為N3-N2=M3……第8個觸發(fā)位所用的時間為N8-N7=M8。

由于上接排序子程序，已經(jīng)按照從大到小排列，所以做減法后差全為正數(shù)。調(diào)用延時程序時，37H最先出，30H最后出（如表6）。

以上是對電動機、舵機原理及舵機調(diào)速的簡單介紹。舵機世界豐富多彩，希望本文的介紹能起到拋磚引玉的作用，讓我們更好地認識舵機，利用舵機，走進舵機的世界。