机器人舵机

一、 什么是舵机

舵机（英文叫Servo）：它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。

二、 舵机的原理及控制

1.模拟舵机及其控制原理

   舵机是一个微型的伺服控制系统，具体的控制原理可以用下图表示。

     工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动。

模拟舵机需要一个外部控制器（遥控器的接收机）产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。如图所示，舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置。

舵机原来主要用在飞机、汽车、船只模型上，作为方向舵的调节和控制装置。所以，一般的转动范围是45°、60°或者90°，这时候脉冲宽度一般只有1ms-2ms之间。后来舵机开始在机器人上得到大幅度的运用，转动的角度也在根据机器人关节的需要增加到-90度至90度之间，脉冲宽度也随之有了变化。

2.数字舵机及其控制原理

数字舵机从根本上颠覆了舵机的控制系统设计。数字和模拟舵机相比在两个方面有明显的优点。1、防抖。2、响应速度快。

模拟舵机由于使用模拟器件搭建的控制电路，电路的反馈和位置伺服是基于电位器的比例调节方式。电位器由于线性度的影响，精度的影响，个体差异性的问题，会导致控制匹配不了比例电压，比如期望得到2.5V的电压位置，但第一次得到的是2.3V，经过1个调节周期后，电位器转过的位置已经是2.6V了，这样控制电路就会给电机一个方向脉冲调节，电机往回转，又转过头，然后又向前调节，以至于出现不停的震荡，这就是我们所看到的抖舵现象。

模拟舵机的调节周期是20ms，也就是它的反应时间是20ms。根据舵机的不同，假设舵机的速度是0.2s/60°，那么20ms舵机最快的时候转过0.6度才会进行调节，这就是关节在突然出现大负载的情况下，会被扭矩摆动0.6度，然后才纠正回来，直观的感觉就是这个舵机不“硬”。

数字舵机可以以很高的频率进行调节，这个周期和角度会变得非常小，并且有PID调节方式的存在，能够在以很适当的PID参数进行调节，能够让舵机有很高的响应速度，不会出现超调。

3.总线伺服舵机

总线伺服舵机简单的说就是可以串联，并且接受数字信号，能够提供关节的力矩、电流、温度、角度等信息，能准确控制位置的运动单元，外形可以和舵机一模一样。通过一个串口给总线发送一条指令：舵机1，转20度；舵机2转30度，舵机3休息……直到理论上最后一个舵机。然后所有的舵机就会执行这条指令。

三、舵机的结构

舵机的主体结构如下图所示，主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。