舵機的原理，以及數碼舵機 VS 模擬舵機

一、舵機的原理標準的舵機有3條導線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2所示。原理是這樣的: 收到1個脈衝以後，BA6688內部也產生1個以5K電位器實際電壓為基準的脈衝，2個脈衝比較以後展寬，輸出給驅動使用。當輸出足夠時候，馬達就開始加速，馬達就能產生EMF，這個和轉速成正比的。因為取的是中心電壓，所以正常不能檢測到的，但是運行以後就電平發生傾斜，就能檢測出來。超過EMF判斷電壓時候就減小展寬，甚至關閉，讓馬達減速或者停車。這樣的好處是可以避免過沖現象(就是到了定位點還繼續走,然後回頭,再靠近) 電源線和地線用於提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介於4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈衝信號，方波脈衝信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當方波的脈衝寬度改變時，舵機轉軸的角度發生改變，角度變化與脈衝寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈衝寬度之間的關係可用圍3來表示。二、數碼舵機 VS 模擬舵機數碼舵機比傳統的模擬舵機，在工作方式上有一些優點，但是這些優點也同時帶來了一些缺點。傳統的舵機在空載的時候，沒有動力被傳到舵機馬達。當有信號輸入使舵機移動，或者舵機的搖臂受到外力的時候，舵機會作出反應，向舵機馬達輸出驅動電壓。由第一節的電路分析我們知道——馬達是否獲得驅動電壓，取決於BA6688的第3腳是否輸出一個電壓信號給BAL6686馬達驅動IC。數碼舵機最大的差別是在於它處理接收機的輸入信號的方式。相對與傳統的50脈衝/秒的PWM信號解調方式，數碼舵機使用信號預處理方式，將頻率提高到300脈衝/秒。因為頻率高的關係，意味著舵機動作會更精確，「無反應區」變小。以下的三個圖表各顯示了兩個周期的開/關脈衝。 圖1是空載的情況；圖2是脈衝寬度較窄，比較小的動力信號被輸入馬達；圖3是更寬，持續時間更長的脈衝，更多的輸入動力。您可以想象，一個短促的脈衝，緊接著很長的停頓，這意味著舵機控制精度是不夠高的，這也是為什麼模擬舵機有「無反應區」的存在。比如說，舵機對於發射機的細小動作，反應遲鈍或者根本就沒有反應。而數碼舵機提升了脈衝密度，輕微的信號改變都會變的可以讀取，這樣無論是遙控桿的輕微變動，或者舵機搖臂在外力作用下的極輕微變動，都會能夠檢測出來，從而進行更細微的修正。三、數碼舵機的缺點：以上我們已經知道數碼舵機會更精確這個優點，那麼我們來看數碼舵機的缺點1、數碼舵機需要消耗更多的動力。其實這是很自然的。數碼舵機以更高頻率去修正馬達，這一定會增加總體的動力消耗。2、相對教短的壽命。其實這是很自然的。馬達總在轉來轉去做修正，這一定會增加馬達等轉動部位的消耗。四、實際應用選擇我們已經知道模擬舵機對於極輕微的外力干擾導致舵機盤移位的敏感度，和舵機執行命令的精確度，是不如數碼舵機的了，那麼我們是不是應該盡量使用數碼舵機呢？？？我個人而言不是這麼認為。首先——舵機的素質，其實不單純是電路決定的，還有舵機的齒輪精度，還有非常非常關鍵的舵機電位器的精度。一顆質量上乘的模擬舵機，往往比電路雖然是數碼但是零件卻是普通貨色的數碼舵機更準確，更不會抖舵。其次，要知道我們在模型車上應用的時候，很多時候太高的精度並不是好事！比如你玩1/8的車，特別是大腳車和越野車，那麼爛的路面導致車時而滑動適合騰空，動不動就是零點幾秒、N公分的偏差，舵機的微秒級別敏感、微米級別精度對整個事件能起怎麼改善？？那叫神經質的舵機反應...........其實應用在1/8車輛上，一顆0.1秒反應的模擬舵機是更合適的搭配。它會更省電，更順滑，不會那麼神經質。而且最重要的——它不會在一台轉向虛位有幾毫米的1/8越野車上，去不停地吱吱叫著去找那0.1毫米的居中（其實你即使把舵機連桿給它拆掉，讓舵機空轉，它也往往找不到那0.1毫米的居中，只是自己不停地吱吱叫著折騰自己而已，哈哈）實際的應用上，我建議是1/10的競賽級別房車，暴力型的飛機，可以選用數碼舵機。所謂神經質配神經質，呵呵。注意吸收知識，要由根本上去分析，而不是以訛傳訛！否則你必定就象很多人一樣去堅守「數碼舵機比模擬舵機快」這個完全錯誤的觀點，呵呵，那會被真正掌握知識的人暗地裡面恥笑的數碼舵機常見問題原理分析及解決：一、數碼舵機與模擬舵機的區別傳統模擬舵機和數字比例舵機（或稱之為標準舵機）的電子電路中無MCU微控制器，一般都稱之為模擬舵機。老式模擬舵機由功率運算放大器等接成惠斯登電橋，根據接收到模擬電壓控制指令和機械連動位置感測器（電位器）反饋電壓之間比較產生的差分電壓，驅動有刷直流電機伺服電機正/反運轉到指定位置。數字比例舵機是模擬舵機最好的類型，由直流伺服電機、直流伺服電機控制器集成電路(IC)，減速齒輪組和反饋電位器組成，它由直流伺服電機控制晶元直接接收PWM（脈衝方波，一般周期為20ms，脈寬1~2 ms，脈寬1 ms為上限位置，1.5ms為中位,2ms為下限位置）形式的控制驅動信號，迅速驅動電機執行位置輸出,直至直流伺服電機控制晶元檢測到位置輸出連動電位器送來的反饋電壓與PWM控制驅動信號的平均有效電壓相等,停止電機，完成位置輸出。數碼舵機電子電路中帶MCU微控制器故俗稱為數碼舵機，數碼舵機憑藉比之模擬舵機具有反應速度更快，無反應區範圍小，定位精度高，抗干擾能力強等優勢已逐漸取代模擬舵機在機器人、航模中得到廣泛應用。數碼舵機設計方案一般有兩種：一種是MCU+直流伺服電機+直流伺服電機控制器集成電路(IC)+減速齒輪組+反饋電位器的方案，以下稱為方案1，另一種是MCU+直流伺服電機+減速齒輪組+反饋電位器的方案，以下稱為方案2。市面上加裝數碼驅動板把模擬舵機改數碼舵機屬方案1。二、舵機電機調速原理及如何加快電機速度常見舵機電機一般都為永磁直流電動機，如直流有刷空心杯電機。直流電動機有線形的轉速-轉矩特性和轉矩-電流特性，可控性好，驅動和控制電路簡單，驅動控制有電流控制模式和電壓控制兩種模式。舵機電機控制實行的是電壓控制模式，即轉速與所施加電壓成正比，驅動是由四個功率開關組成H橋電路的雙極性驅動方式，運用脈衝寬度調製（PWM）技術調節供給直流電動機的電壓大小和極性，實現對電動機的速度和旋轉方向（正/反轉）的控制。電機的速度取決於施加到在電機平均電壓大小，即取決於PWM驅動波形占空比（占空比為脈寬/周期的百分比）的大小，加大占空比，電機加速，減少佔空比電機減速。所以要加快電機速度：1、加大電機工作電壓；2、降低電機主迴路阻值，加大電流；二者在舵機設計中要實現，均涉及在滿足負載轉矩要求情況下重新選擇舵機電機。三、數碼舵機的反應速度為何比模擬舵機快很多模友錯誤以為：「數碼舵機的PWM驅動頻率300Hz比模擬舵機的50Hz高6倍，則舵機電機轉速快6倍，所以數碼舵機的反應速度就比模擬舵機快6倍」 。這裡請大家注意佔空比的概念，脈寬為每周期有效電平時間，占空比為脈寬/周期的百分比，所以大小與頻率無關。占空比決定施加在電機上的電壓，在負載轉矩不變時，就決定電機轉速，與PWM的頻率無關。模擬舵機是直流伺服電機控制器晶元一般只能接收50Hz頻率（周期20ms）~300Hz左右的PWM外部控制信號，太高的頻率就無法正常工作了。若PWM外部控制信號為50Hz，則直流伺服電機控制器晶元獲得位置信息的分辨時間就是20ms，比較PWM控制信號正比的電壓與反饋電位器電壓得出差值,該差值經脈寬擴展(占空比改變,改變大小正比於差值)后驅動電機動作，也就是說由於受PWM外部控制信號頻率限制，最快20ms才能對舵機搖臂位置做新的調整。數碼舵機通過MCU可以接收比50Hz頻率（周期20ms）快得多的PWM外部控制信號，就可在更短的時間分辨出PWM外部控制信號的位置信息，計算出PWM信號占空比正比的電壓與反饋電位器電壓的差值，去驅動電機動作，做舵機搖臂位置最新調整。結論：不管是模擬還是數碼舵機，在負載轉矩不變時，電機轉速取決於驅動信號占空比大小而與頻率無關。數碼舵機可接收更高頻率的PWM外部控制信號，可在更短的周期時間后獲得位置信息，對舵機搖臂位置做最新調整。所以說數碼舵機的反應速度比模擬舵機快，而不是驅動電機轉速比模擬舵機快。四、數碼舵機的無反應區範圍為何比模擬舵機小根據上述對模擬舵機的分析可知模擬舵機約20ms才能做一次新調整。而數碼舵機以更高頻率的PWM驅動電機。PWM頻率的加快使電機的啟動/停止，加/減速更柔和，更平滑，更有效的為電機提供啟動所需的轉矩。就象是汽車獲得了更小的油門控制區間，則啟動/停止，加/減速性能更好。所以數碼舵機的無反應區比模擬舵機小。五、模擬舵機加裝數碼舵機驅動板並未提升反應速度根據以上分析可知，模擬舵機加裝數碼舵機驅動板，要提升反應速度，PMW外部控制信號（如陀螺儀送來的尾舵機信號）的頻率必須加快，如果還是50Hz，那舵機反應速度當然就沒提升了。六、如何選擇舵機電機舵機電機按直流伺服電機的標準選用，根據電機種類、負載力矩、轉速、工作電壓等要求。舵機一般都用空心杯電動機，有用有刷的，也有用無刷無感的。空心杯電動機屬於直流永磁、伺服微特電機，與普通電機的主要區別採用是無鐵芯轉子，也叫空心杯型轉子。具有以下優勢： 1、最大的能量轉換效率(衡量其節能特性的指標)：其效率一般在70%以上，部分產品可達到90%以上（普通鐵芯電機在15-50%）； 2、激活、制動迅速，響應極快：機械時間常數小於28毫秒，部分產品可以達到10毫秒以內，在推薦運行區域內的高速運轉狀態下，轉速調節靈敏； 3、可靠的運行穩定性：自適應能力強，自身轉速波動能控制在2%以內； 4、電磁干擾少：採用高品質的電刷、換向器結構，換向火花小，可以免去附加的抗干擾裝置； 5、能量密度大：與同等功率的鐵芯電機相比，其重量、體積減輕1/3-1/2；轉速-電壓、轉速-轉矩、轉矩-電流等對應參數都呈現標準的線性關係。七、如何選擇舵機反饋電位器舵機反饋電位器按種類、精度，耐用性的標準選用，導電塑料電位器的精度和耐磨程度大大優於其他如線繞電位器類型。八、舵機控制死區、滯環、定位精度、輸入信號解析度、回中性能的認識每一個閉環控制系統由於信號的振蕩等原因，輸入信號和反饋信號不可能完全相等，這就涉及到控制死區和滯環的問題，系統無法辨別輸入信號和反饋信號的差異範圍就是控制死區範圍。舵機自動控制系統由於信號震蕩、機械精度等原因造成控制系統在控制死區範圍外的小範圍老是做調整，為使舵機在小範圍內不對震蕩做調整，這就需要引入滯環的作用了。滯環比控制死區大，一般控制死區範圍為±0.4%，滯環可設置為±2%，輸入信號和反饋信號的差值在滯環內電機不動作，輸入信號和反饋信號的差值進入滯環，電機開始制動-停止。定位精度取決於舵機系統的整體精度：如控制死區、機械精度、反饋電位器精度、輸入信號解析度。輸入信號解析度指舵機系統對輸入信號最小分辨範圍，數碼舵機輸入信號解析度大大優於模擬舵機。回中性能取決於滯環和定位精度。九、舵機為何會老發出吱吱的響聲舵機老發出吱吱的來回定位調整響聲，是由於有的舵機無滯環調節功能，控制死區範圍調得小，只要輸入信號和反饋信號老是波動，它們的差值超出控制死區，舵機就發出信號驅動電機。另沒有滯環調節功能，如果舵機齒輪組機械精度差，齒虛位大，帶動反饋電位器的旋轉步，步範圍就已超出控制死區範圍，那舵機必將調整不停，吱吱不停。

中山國華遙控模型廠是一家集開發、生產、銷售於一體的專業型舵機企業，產品包括微型舵機，空心杯舵機，數碼舵機，機器人舵機，360度舵機，金屬齒輪舵機，以及調速器等各種電子配件，能針對性的為客戶生產各種特殊用途的舵機。公司位於名人故里廣東中山市三鄉鎮古鶴工業區，與珠海特區，澳門行政區僅一步之遙，靠近橫琴港口，水陸交通方便，依山傍水，環境優美。公司本著「客戶第一，誠信至上」的原則，堅持以人為本，以誠取信，以質取勝，以創新發展的管理理念，贏得了廣大客戶的信賴與支持，與多家企業建立了長期穩定的合作關係。中山國華遙控模型廠熱誠歡迎廣大新老商友精誠合作，共創美好未來。

（G3商訊）