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如何玩转舵机?来看资深机器人创客的开发笔记

2019-01-04
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最近我们与DFRobot合作,一起搭建创客项目。 在机械臂和履带车项目中都使用到了舵机(伺服电机)。今天和大家分享一下,舵机(伺服电机)选择与设计过程中的一些心得。









什么是舵机?


舵机是伺服电机中的一种, 由直流电机加上反馈控制回路组成。 一般使用PWM(脉冲宽度调制)来控制。 主要分成两种类型:有限旋转舵机(输出旋转角度)和连续旋转舵机(输出旋转速度)。


图1,舵机实物图






舵机的类型


开发者应该根据需要实现的功能,选择有限旋转舵机还是连续旋转舵机。连续旋转舵机只能连续旋转,不能控制旋转角度。有限旋转舵机,可以控制旋转角度,但是旋转角度有限制。


舵机类型

  有限旋转舵机
(比如
180°舵机)

  连续旋转舵机

(比如360°舵机)

控制方式

PWM控制旋转角度

PWM控制旋转速度和旋转方向

能否控制旋转角度

不能

能否连续旋转

不能

主要应用场合

需要控制旋转角度的场合

比如机械臂、开关

需要连续旋转的场合

比如驱动轮子

表1,两种不同类型舵机的比较


比如在上面的机械臂项目中,实现的功能是在特定的位置抓取物件,那么使用有限旋转舵机比较合适。







舵机的扭矩


上面机械臂项目中选用的舵机SER0006,力矩为1.6kg/cm,相当于在距离输出轴30cm处可以匀速提起一个鸡蛋。 实际应用时,不仅要考虑匀速的情况,还要考虑有机加速度/摩擦/碰撞等情况下,以及械臂本身重量等因素,从而放足够的余量。

 

在机械臂项目中,使用硬板纸作为机械臂的材料, 实现的功能也只是提起比较轻的物体。 如果需要实现提起重物,舵机的扭矩以及机械臂材料都要相应升级。








舵机的旋转速度


如果想让舵机按照设定的速度旋转,可以把需要旋转的角度划分成几个小角度,然后分步完成,从而达到控制旋转速度的目的。

 

另一种方式是,实时地控制旋转角度。比如在机械臂项目中,通过采集电位器的旋转角度,实时给舵机一系列控制的信号,从而达到手动控制机械臂的各种动作。








实现舵机控制


大多数舵机PWM控制协议,都已经标准化。舵机一般有三根引线,分别为电源线、地线、信号线。通过PWM来控制舵机输出轴的旋转角度,下图是一个典型的舵机PWM控制波形。

 

图2,典型PWM控制波形(180°舵机)


图中可以看出,输入不同脉冲宽度的PWM波形,对应舵机输出轴转动的角度也不同。

 

对于180°舵机,取周期20ms、脉冲宽度1.5ms的PWM波形,作为舵机输出轴转动幅度的1/2位置处。脉冲宽度小于1.5ms越多,向某一方向偏转越多。反之,脉冲宽度大于1.5ms越多,向另一个方向偏转越多。

 

对于360°舵机,取周期20ms,脉冲宽度1.5ms的PWM波形,作为舵机停止转动的基准点。脉冲宽度小于1.5ms越多,向某一方向转速越快。反之,脉冲宽度大于1.5ms越多,向另一方向转速越快。

 

值得注意的是,有些舵机,在脉冲宽度1.5ms对应的轴转动幅度的1/2位置,或者舵机停止转动的基准点,可能会有一点误差。对于360°舵机,可能会导致在PWM脉冲宽度设置在1.5ms时无法完全停下来。可能调整脉冲宽度到1.49ms 或者1.51ms时才完全停下来。实际使用过程中,最好测试出舵机实际的中位,然后通过软件/硬件等方法来修正。

 

从上面可以看出,180°舵机和360°舵机,控制的方式与通信协议非常的相似。这意味着,这两种舵机的控制板以及控制程序,在某一种程度上可以通用。比如micro:bit图形化编程平台makecode内置了舵机控制程序。只要给相应的角度,不仅可以控制180°舵机偏转相应的角度,还可以控制360°舵机的转速和方向。


图3 makecode图形化编程平台,舵机控制






小结


许多机械臂/机器人项目中,经常会使用到舵机(伺服电机)。深入了解舵机,可以为加快电子设计从创意到应用的进程提供助力。

 


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