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舵机的构造和原理
舵机的构造和原理
2008-06-2008:
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前言
舵机是遥控模型控制动作的动力来源,不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。
如何审慎地选择经济且合乎需求的舵机,也是一门不可轻忽的学问。
本文章主要探讨适合各等级直升机各工作部位所使用的舵机,至於其它种类的模型,如飞机、车、船,则不在本篇文章讨论范围之内。
舵机的构造
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跟着改变,测量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,当电流流过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,於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的区分。
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。
技术规格
厂商所提供的舵机规格资料,都会包含外形尺寸(cm)、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,还会伴随着高耗电的特点。
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。
选择舵机
标准的直升机需搭配5颗舵机,分别控制油门、副翼、升降舵、螺距及尾舵。
油门
油门是所有动作中负载最轻的部位,且负载不会受到外在因素的影响而改变,所以选择油门舵机时,扭力不是问题(1kg就绰绰有馀),速度才是关键。
因为直升机的油门与螺距作混控,故油门与螺距舵机的速度最好要一致,才不会发生螺距舵机已到达定位,油门舵机却姗姗来迟的情况。
尤其作剧烈的3D飞行时,油门与螺距的变化量极大,若油门与螺距舵机的速度不协调,会发生马力延迟的状况。
油门舵机的速度并不是愈快愈好,因为还要考虑引擎的反应时间。
引擎必须经过吸气、压缩、爆炸、排气这一连串的步骤,尤其直升机用的引擎并不属於高转速型,因此舵机的速度如果太快,就会产生引擎运转速度跟不上舵机的动作,进而出现油气混合比不适当的状况。
建议采用速度为0.19~0.24秒的舵机。
副翼及升降舵
30级及46级的直升机选择扭力3kg以上的舵机,60级的直升机则选择扭力5kg以上的舵机。
副翼及升降舵的反应速度,主要是由主旋翼转速及平衡翼片的重量所控制,与舵机的速度快慢,较无明显且直接的关联,所以不需使用太快的舵机。
建议采用速度为0.20~0.26秒的舵机。
螺距
直升机的主旋翼螺距是出了名的重负载,因此螺距舵机的扭力一定要够,最好能选择扭力5kg以上的舵机。
建议采用速度为0.19~0.24秒的舵机。
尾舵
尾舵舵机的扭力不需太大,3kg就已经足够了。
请依据您所使用的陀螺仪等级来搭配尾舵舵机。
机械式陀螺仪因为反应速度较慢,因此无需使用高速舵机。
压电式陀螺仪需搭配高速舵机,才能发挥陀螺仪的性能。
高级的陀螺仪都会指明建议使用的舵机,例如JR5000T陀螺仪建议搭配NES-8700G舵机,FutabaGY-501陀螺仪建议搭配S-9205舵机。
若您使用的压电式陀螺仪并无特别指明舵机的类型,建议您购买速度愈快的舵机愈好。
如何以最经济的方式购买合用的舵机,请叁考下列步骤:
1. 先决定螺距舵机,选择扭力5kg以上的舵机,再依据预算的多寡决定舵机的速度。
2. 依照螺距舵机的速度,选择同速度但扭力小的舵机,作为油门舵机。
3. 依据直升机的级数大小,选择扭力为3kg或5kg以上,速度为0.20~0.26秒的舵机,作为副翼及升降舵舵机。
4. 依据陀螺仪的等级来决定尾舵舵机的速度,愈高级的陀螺仪才需使用高级的舵机。
若您使用CCPM的直升机,因为是由副翼、升降舵及螺距舵机采混控的方式共同来推动十字盘,所以这三个动作要选择同型号的舵机。
CCPM的优点是连杆数少、传动直接、虚位小,并且可减轻舵机的负荷,延长舵机的使用寿命。
爱惜您的舵机
一般说来舵机并不需要特别的保养,只要注意下列重点,就可使您的舵机长命百岁。
直升机的机械可动部份,不可小於舵机的行程活动范围。
不要随意改变电源电压,例如接收机用4.8V,请勿为了提升舵机的性能而改用6.0V。
机的相关原理与控制原理
什么是舵机:
在机器人机电控制系统中,舵机控制效果是性能的重要影响因素。
舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。
舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
目前在高档遥控玩具,如航模,包括飞机模型,潜艇模型;遥控机器人中已经使用得比较普遍。
舵机是一种俗称,其实是一种伺服马达。
还是看看具体的实物比较过瘾一点:
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2. 其工作原理是:
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。
最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动。
当然我们可以不用去了解它的具体工作原理,知道它的控制原理就够了。
就象我们使用晶体管一样,知道可以拿它来做开关管或放大管就行了,至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。
3. 舵机的控制:
舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。
以180度角度伺服为例,那么对应的控制关系是这样的:
0.5ms--------------0度;
1.0ms------------45度;
1.5ms------------90度;
2.0ms-----------135度;
2.5ms-----------180度;
请看下形象描述吧:
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这只是一种参考数值,具体的参数,请参见舵机的技术参数。
小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V,转速也不是很快,一般为0.22/60度或0.18/60度,所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时,舵机可能反应不过来。
如果需要更快速的反应,就需要更高的转速了。
要精确的控制舵机,其实没有那么容易,很多舵机的位置等级有1024个,那么,如果舵机的有效角度范围为180度的话,其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了,从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。
如果你拿了个舵机,连控制精度为1度都达不到的话,而且还看到舵机在发抖。
在这种情况下,只要舵机的电压没有抖动,那抖动的就是你的控制脉冲了。
而这个脉冲为什么会抖动呢?
当然和你选用的脉冲发生器有关了。
一些前辈喜欢用555来调舵机的驱动脉冲,如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的,可以多用几个开关引些电阻出来调占空比,这么做简单吗,应该不会啦,调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。
其实主要还是他那个年代,单片机这东西不流行呀,哪里会哟!
使用传统单片机控制舵机的方案也有很多,多是利用定时器和中断的方式来完成控制的,这样的方式控制1个舵机还是相当有效的,但是随着舵机数量的增加,也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。
听说AVR也有控制32个舵机的试验板,不过精度能不能达到2微秒可能还是要泰克才知道了。
其实测试起来很简单,你只需要将其控制信号与示波器连接,然后让试验板输出的舵机控制信号以2微秒的宽度递增。
为什么FPPA就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。
主要还是delaymemory这样的具有创造性的指令发挥了功效。
该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加1个指令周期(数据0出外,详情请参见delay指令使用注意事项)因为是8位的数据存储单元,所以memory中的数据为(0~255),记得前面有提过,舵机的角度级数一般为1024级,所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的,所以我们可以采用2个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了。
所以这样一来,我们可以采用这样的软件结构了:
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舵机驱动的应用场合:
1. 高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真实的驾车体验.
2. 多自由度机器人设计,为什么日本人设计的机器人可以上万RMB的出售,
而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题.
3. 多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等
程序原理可以是这样的:
pushwpwm0;//注意这里的pwmn指第n路的pwm参数值,是个16位数
//据存放空间,相信8位机中一次操作个16位数据也是首见吧
popwpwmtemp;//将16位数据移动到一个临时空间
set1s_motor0_drv
callpwm_delay
set0s_motor0_drv
;
pushwpwm1
popwpwmtemp
set1s_motor1_drv
callpwm_delay
set0s_motor1_drv
按这样写下去,一路PC写7个这样的伺服也一点不紧张的,因为PWM的周期是20毫秒,而最大脉宽才2.5毫秒,7*2.5=17.5毫秒。
写完了所有的脉冲后又做什么,跳回再等待下一个20毫秒有效的信号量。
而20毫秒的信号量从哪里来,因为多核心,当然可以随便拿个工作频率低点的CPU来产生啦。
这样一来,一颗14PIN的FPPA,PDK80C02-SOP14就可以通过无线或者红外来精确控制7路舵机。
[本帖最后由zhlu8866于2008-6-1017:
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什么是舵机:
在机器人机电控制系统中,舵机控制效果是性能的重要影响因素。
舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。
舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
目前在高档遥控玩具,如航模,包括飞机模型,潜艇模型;遥控机器人中已经使用得比较普遍。
舵机是一种俗称,其实是一种伺服马达。
还是看看具体的实物比较过瘾一点:
2. 其工作原理是:
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。
最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动。
当然我们可以不用去了解它的具体工作原理,知道它的控制原理就够了。
就象我们使用晶体管一样,知道可以拿它来做开关管或放大管就行了,至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。
3. 舵机的控制:
舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。
以180度角度伺服为例,那么对应的控制关系是这样的:
0.5ms--------------0度;
1.0ms------------45度;
1.5ms------------90度;
2.0ms-----------135度;
2.5ms-----------180度;
请看下形象描述吧:
这只是一种参考数值,具体的参数,请参见舵机的技术参数。
小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V,转速也不是很快,一般为0.22/60度或0.18/60度,所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时,舵机可能反应不过来。
如果需要更快速的反应,就需要更高的转速了。
要精确的控制舵机,其实没有那么容易,很多舵机的位置等级有1024个,那么,如果舵机的有效角度范围为180度的话,其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了,从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。
如果你拿了个舵机,连控制精度为1度都达不到的话,而且还看到舵机在发抖。
在这种情况下,只要舵机的电压没有抖动,那抖动的就是你的控制脉冲了。
而这个脉冲为什么会抖动呢?
当然和你选用的脉冲发生器有关了。
一些前辈喜欢用555来调舵机的驱动脉冲,如果只是控制几个点位置伺服好像是可以这么做的,可以多用几个开关引些电阻出来调占空比,这么做简单吗,应该不会啦,调试应该是非常麻烦而且运行也不一定可靠的。
其实主要还是他那个年代,单片机这东西不流行呀,哪里会哟!
使用传统单片机控制舵机的方案也有很多,多是利用定时器和中断的方式来完成控制的,这样的方式控制1个舵机还是相当有效的,但是随着舵机数量的增加,也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约2微秒的脉宽控制精度了。
听说AVR也有控制32个舵机的试验板,不过精度能不能达到2微秒可能还是要泰克才知道了。
其实测试起来很简单,你只需要将其控制信号与示波器连接,然后让试验板输出的舵机控制信号以2微秒的宽度递增。
为什么FPPA就可以很方便地将脉宽的精度精确地控制在2微秒甚至2微秒一下呢。
主要还是delaymemory这样的具有创造性的指令发挥了功效。
该指令的延时时间为数据单元中的立即数的值加1个指令周期(数据0出外,详情请参见delay指令使用注意事项)因为是8位的数据存储单元,所以memory中的数据为(0~255),记得前面有提过,舵机的角度级数一般为1024级,所以只用一个存储空间来存储延时参数好像还不够用的,所以我们可以采用2个内存单元来存放舵机的角度伺服参数了。
所以这样一来,我们可以采用这样的软件结构了:
舵机驱动的应用场合:
1. 高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真实的驾车体验.
2. 多自由度机器人设计,为什么日本人设计的机器人可以上万RMB的出售,
而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题.
3. 多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等
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- 舵机 构造 原理