舵機(jī)（英文Servo）最早出現(xiàn)于航模運(yùn)動(dòng)，它是遙控模型用于控制動(dòng)作的動(dòng)力源，玩過(guò)遙控模型的朋友都知道舵機(jī)長(zhǎng)什么模樣，為了適用于各種模型的需求，舵機(jī)發(fā)展出各種類(lèi)型和大小的型號(hào)。舵機(jī)可以看成是一個(gè)封裝了電機(jī)、控制及反饋系統(tǒng)的動(dòng)力總成，它使用簡(jiǎn)單、動(dòng)力強(qiáng)勁，能按照信號(hào)的要求精確的控制電機(jī)軸的位移角度，也算是伺服電機(jī)的一種，通常也被人們用于制作小型機(jī)器人、玩具及用于設(shè)備動(dòng)作的動(dòng)力源等用途。圖2就是一款風(fēng)靡世界的小型遙控機(jī)器人玩具I-SOBOT，它使用了多達(dá)十幾個(gè)的微型舵機(jī)用于各關(guān)節(jié)的動(dòng)作和動(dòng)力，使其能模仿人類(lèi)的各種基本動(dòng)作。

舵機(jī)的分類(lèi)很多，按模型類(lèi)型分可以分航模、車(chē)模以及船模用的，航模用舵機(jī)就要求速度快精度高，而車(chē)、船模用的一般要求有扭力大和具有防水性。按減速齒輪分可以分金屬齒和塑料齒，使用金屬齒扭力大、壽命長(zhǎng)、價(jià)格高。按控制電路分模擬舵機(jī)（標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)）Standard Servo 和數(shù)字舵機(jī)Digital Servo，數(shù)字舵機(jī)有反應(yīng)速度更快，無(wú)反應(yīng)區(qū)范圍小，精度更高等新特性。舵機(jī)的規(guī)格型號(hào)則主要是以轉(zhuǎn)矩和速度來(lái)分類(lèi)，一個(gè)標(biāo)稱(chēng)值為0.0004N·M/0.21的舵機(jī)，就是指舵機(jī)輸出軸帶動(dòng)一米長(zhǎng)的搖臂時(shí)在最末端能發(fā)出0.0004N的力，并且能在0.21秒內(nèi)完成60°的角位移。

舵機(jī)是由外殼、電機(jī)、減速齒輪組、傳感器、控制電路和接口線(xiàn)纜組成的伺服系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖3。舵機(jī)的電機(jī)有用普通小型直流電機(jī)的，也有用無(wú)刷電機(jī)的，使用無(wú)刷電機(jī)的舵機(jī)有穩(wěn)定性高、壽命更長(zhǎng)、精度更高、扭力更大等特點(diǎn)。圖4就是一款使用無(wú)刷電機(jī)的舵機(jī)。圖3是舵機(jī)齒輪組是塑料的，而圖4的型號(hào)則是金屬齒輪組。舵機(jī)的位移傳感器是一個(gè)電位器，無(wú)論模擬舵機(jī)還是數(shù)字舵機(jī)都會(huì)用到，其阻值一般為5K。控制電路板主要是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)電路，驅(qū)動(dòng)電路由晶體管或FET場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路構(gòu)成，采用場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)可以獲得更大的驅(qū)動(dòng)能力。模擬舵機(jī)的信號(hào)處理電路由專(zhuān)用的直流伺服電機(jī)控制芯片構(gòu)成，一般只能接收頻率為50HzPWM信號(hào)輸入，而數(shù)字舵機(jī)的信號(hào)處理電路由微處理器構(gòu)成，可以接收頻率為300HzPWM信號(hào)輸入，也就是模擬舵機(jī)受到輸入頻率限制要20ms才可以反應(yīng)一個(gè)動(dòng)作，而數(shù)字舵機(jī)則能在短幾倍的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行動(dòng)作。圖5是模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)PCB，左邊的是模擬舵機(jī)采用了晶體三極管加直流伺服電機(jī)控制芯片構(gòu)成，右邊的是數(shù)字舵機(jī)采用了場(chǎng)效應(yīng)管加微處理器構(gòu)成。

當(dāng)信號(hào)接口收到信號(hào)后，控制電路對(duì)信號(hào)做出計(jì)算和反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)舵機(jī)輸出軸輸出力矩，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)電位器。對(duì)于舵機(jī)來(lái)說(shuō)這個(gè)電位器就是位置傳感器，它的當(dāng)前阻值代表著電機(jī)軸所處的位置，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電位器的阻值也發(fā)生了變化，控制電路讀取電位器的阻值并與由信號(hào)計(jì)算出來(lái)的值做對(duì)比，其阻值不是計(jì)算值時(shí)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到信號(hào)要求位置時(shí)，控制電路控制電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，完成一個(gè)信號(hào)所要求的動(dòng)作，當(dāng)電機(jī)軸受到外力而偏轉(zhuǎn)里，舵機(jī)會(huì)通過(guò)電位器感知到位置偏移，啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行校正。舵機(jī)原理的基本流程圖，可以看出它是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制是根據(jù)控制對(duì)象輸出反饋來(lái)進(jìn)行校正的控制方式，它是在測(cè)量出實(shí)際與計(jì)劃發(fā)生偏差時(shí)，按定額或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行糾正的。閉環(huán)控制，從輸出量變化取出控制信號(hào)作為比較量反饋給輸入端控制輸入量。舵機(jī)正是利用這個(gè)原理，用電機(jī)及齒輪組輸出，并利用隨之產(chǎn)生的電位器阻值變化量作為反饋量，控制電機(jī)是繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)還是停止。

圖6 舵機(jī)的閉環(huán)控制

知道舵機(jī)的工作原理，我們還不能控制舵機(jī)，那么我們來(lái)看看怎么去實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。數(shù)字舵機(jī)為了能用在舊的模型和舵機(jī)控制器，一般都會(huì)兼容模擬舵機(jī)的接口和控制方式，所以這里我們只討論傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)控制方法。在各種模型中使用舵機(jī)時(shí)，一般都是直接使用多通道接收機(jī)，舵機(jī)連到接收機(jī)上就可以了，通過(guò)遙控器就可以對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制了。圖7就是一款多通道的車(chē)模用的遙控器和接收機(jī)，現(xiàn)在也有許多可以多路的舵機(jī)程序控制器，一般用于機(jī)器人等的制作中，可以通過(guò)電腦、手機(jī)或其它界面進(jìn)行控制，也可以把舵機(jī)的動(dòng)作編程重放，有的甚至可以控制多達(dá)32路以上的舵機(jī)。舵機(jī)的接口引腳定義如圖8，黑色線(xiàn)為地線(xiàn)，紅色線(xiàn)為電源線(xiàn)，電源的標(biāo)稱(chēng)范圍為4.8V到6V，也就是4節(jié)1.2V或4節(jié)1.5V的電池都能適用，而用于非模型用途時(shí)一般是使用5V電壓對(duì)其供電，黃色線(xiàn)則是控制信號(hào)線(xiàn)（也可能是白色），信號(hào)格式為PWM。

圖8 舵機(jī)接口定義

圖9就是標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)所要求的PWM信號(hào)波形，是一個(gè)周期為20ms，高電平脈寬最小1ms，最大2ms，一些特殊的舵機(jī)可能有點(diǎn)不一樣如parallax公司賣(mài)的一款機(jī)器人用舵機(jī)是0.75ms到2.25ms。因?yàn)槎鏅C(jī)的設(shè)計(jì)用途決定它的輸出軸是不能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸所能轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍是舵機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)其結(jié)構(gòu)所限定的，一般最大是180°，一般模型用的最大在120°之內(nèi)，也有一些專(zhuān)用于機(jī)器人的舵機(jī)可以到200°或是連續(xù)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，下面我們以轉(zhuǎn)動(dòng)范圍180°的舵機(jī)為列來(lái)說(shuō)明。把1到2ms的脈寬劃分到這180°角度，那么1.5ms脈寬時(shí)正好是中點(diǎn)，1ms脈寬時(shí)左轉(zhuǎn)到極限位置，2ms脈寬時(shí)右轉(zhuǎn)到極限位置°，在這個(gè)范圍內(nèi)脈寬的時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)特定的角度。圖10是脈寬和位置的對(duì)應(yīng)示意圖?？刂菩盘?hào)進(jìn)入模擬舵機(jī)的控制電路，獲得直流偏置電壓，控制電路內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器產(chǎn)生電壓比較，獲得電壓差輸出，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9 舵機(jī)PWM信號(hào)要求

圖10 脈寬和位移示意圖

看完上面的介紹，如果讀者朋友是熟悉單片機(jī)編程的，是可以很快的編寫(xiě)出舵機(jī)的控制程序的。以轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0-180°舵機(jī)為例，而信號(hào)脈寬是1ms-2ms，計(jì)算得知每角度的脈寬約為0.00556ms，只要把1ms加上角度值乘于0.00556ms,就可以得到角度值所需要的脈寬值。下面我們以STC89C51（也可以使用別的型號(hào)的51芯片）制作一個(gè)簡(jiǎn)單的控制舵機(jī)的小實(shí)驗(yàn)，使用12M晶振，使用12T的模式，每時(shí)鐘周期為12個(gè)晶振周期，也就是說(shuō)每個(gè)時(shí)鐘周期為0.001ms。使用芯片內(nèi)的定時(shí)器最小可以生成0.001ms脈寬，對(duì)比上面的數(shù)據(jù)，我們可以得知這個(gè)數(shù)值不足以精確輸出每角度的脈寬值，我們主要是實(shí)驗(yàn)舵機(jī)控制方法，需要更高精度的話(huà)則需要更高頻率的芯片或用STC89C51的6T模式去實(shí)現(xiàn)。程序中定時(shí)器0先計(jì)時(shí)高電平，到達(dá)后再計(jì)時(shí)生成20ms減去高電平時(shí)間的低電平脈寬，程序主程序不斷的使舵機(jī)變換5個(gè)角度。電路只使用最小系統(tǒng)，電路圖看圖11，C4是電解電容容量在470uF或以上，因?yàn)槟承┒鏅C(jī)工作時(shí)電流會(huì)比較大，這個(gè)電容可以使電源電壓不會(huì)在舵機(jī)工作時(shí)被拉低。筆者用這個(gè)程序驅(qū)動(dòng)TowerPro MG995舵機(jī)，用標(biāo)準(zhǔn)1-2ms信號(hào)可以讓其正常工作，但這個(gè)舵機(jī)動(dòng)作轉(zhuǎn)角范圍只有90°，要想它工作中0-180°度，脈寬要在0.5-2.5ms，因此筆者在壓縮包里提供了2份代碼，供大家參考。圖12是實(shí)驗(yàn)的實(shí)物。

圖11 實(shí)驗(yàn)電路圖

看完上面的介紹，你是不是會(huì)說(shuō)舵機(jī)既然有強(qiáng)勁有力的減速裝置，又可以精確控制，那如果能360°旋轉(zhuǎn)的話(huà)，用于機(jī)器小車(chē)的制作不是很方便嗎？確實(shí)是可以這樣的，只是市場(chǎng)上售賣(mài)的舵機(jī)一般不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不過(guò)我們只要對(duì)它進(jìn)行小小的改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)，但不是所有型號(hào)的舵機(jī)都適于改動(dòng)。修改后的舵機(jī)同樣是使用原有的驅(qū)動(dòng)方式，只是改變信號(hào)脈寬時(shí)不是改變角度，而是改變其轉(zhuǎn)向，輸入中點(diǎn)1.5ms信號(hào)時(shí)舵機(jī)停轉(zhuǎn)，使用信號(hào)周期和脈寬可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、停止以及調(diào)速。改動(dòng)使用的原理其實(shí)就是把位置傳感反饋信號(hào)從閉環(huán)系統(tǒng)中斷開(kāi)，形成開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。通常改造需要改造舵機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如果不是必要的，最好不要進(jìn)行，以免造成浪費(fèi)。MG995是一款小型大扭力的金屬齒的模擬舵機(jī)，它的結(jié)構(gòu)可以很簡(jiǎn)單的改裝成可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的舵機(jī)。只需要以下幾個(gè)步驟：

1.打開(kāi)外殼找到齒輪組上的限位銷(xiāo)

2.用鉗子拔去限位銷(xiāo)

3.拆除電位器，用小型精密可調(diào)的5K電位器取代原電位器，先把換上的電位器調(diào)到中點(diǎn)，也就是2邊阻值為2.5K，再往舵機(jī)輸入1.5ms的信號(hào)，讓舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，再細(xì)調(diào)電位器直到舵機(jī)停轉(zhuǎn)。裝好外殼，完成改裝。