目录
01 舵机介绍
舵机概述
舵机组成
舵机分类
舵机工作原理
舵机控制原理
舵机参数
舵机实物连接线
舵机硬件连接
02 文章总结
大家好，这里是程序员杰克。一名平平无奇的嵌入式软件工程师。
舵机目前在航模、小型机器人等方向的应用非常广泛。因此对于有DIY/设计需求的人来说，舵机的学习是必不可少的。本篇系列推送主要是对舵机的相关知识点进行总结和分享，主要分享舵机相关原理、以及驱动实现。
01 舵机介绍
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舵机概述
舵机(Servo)是在程序的控制下，在一定范围内连续改变输出轴角度并保持的电机系统。即舵机只支持在一定角度内转动，无法像普通直流电机按圈转；其主要控制物体的转动并保持（机器人关节、转向机构）。适用于位置角度经常变化的场合。舵机外形如下图所示：
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舵机组成
舵机主要由几个部分组成：外壳、舵盘、直流电机、减速齿轮组、位置反馈器、控制电路等；结构示意图如下图所示(图片来源于硬石电机专题手册)：
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舵机分类
| 分类方式 | 名称 | 描述 |
| 控制电路 | 模拟舵机 | 控制电路为纯模拟电路，需要一直发送控制信号才能转到指定位置；响应速度慢； |
| 数字舵机 | 控制电路加入了微控制器，只需要发送一次目标信号即可到达指定位置；有信息反馈等功能； | |
| 机械材质 | 塑料齿舵机 | 传动齿轮为塑料材质。舵机重量轻，价格便宜，但扭矩较小； |
| 金属齿舵机 | 传动齿轮为金属材质。结实耐用，扭矩更大，但价格更贵； | |
| 控制接口 | PWM舵机 | 传统航模控制方式，控制简单，MCU都可以产生控制； |
| 总线舵机 | 集成式控制方式，支持信息反馈，控制信号有所优化，使用在控制精度高的场合； |
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舵机工作原理
舵机内部的控制电路接收来自信号线的PWM控制脉冲，控制电机旋转，电机带动减速齿轮组，最后传动输出至舵盘，进而使舵机转动角度并保持。控制流程如下图所示：
- 舵机内部基准电路产生了周期为20ms、脉宽为1.5ms的基准信号，其体现为反馈基准电压Vref；
- 控制电路捕获外部PWM控制信号，经处理后输出一个直流偏置电压Vin；
- 将直流偏置电压Vin和反馈基准电压Vref进行比较，输出电压差；
- 电压差输出到电机驱动芯片驱动电机，其中电压差的正负决定电机的正反转，压差大小决定旋转的角度，电压差为0时，电机停止转动；
特别注意：采集的控制信号主要是脉冲的宽度，要使舵机输出轴角度发生变化，改变的是脉冲宽度（PWM控制时是控制占空比）
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舵机控制原理
舵机转动的角度与脉宽在0.5ms~2.5ms的区间内呈线性关系。舵机有90°、180°、270°、360°最大转角，这里以180°舵机为例来说明脉冲宽度和角度的关系，其他角度舵机参考具体参数，180°舵机周期为20ms时的脉宽和转角关系如下图：
| 脉冲宽度 | 0.5ms | 1ms | 1.5ms | 2ms | 2.5ms |
| 转动角度 | -90° | -45° | 0° | 45° | 90° |
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舵机参数
| 参数 | 描述 |
| 重量(g) | 舵机的总重量 |
| 尺寸(mm) | 舵机的外形尺寸 |
| 速度(sec/60°) | 舵机转过60°所需的时间 |
| 电压(V) | 舵机工作的电压范围 |
| 电流电流(A) | 舵机工作时的电流 |
| 温度(℃) | 舵机工作的温度范围 |
| 死区(us) | 1. 使舵机转动的最小脉冲宽度，低于该参数，舵机不转动； 2. 停止角度的精确度，该数值越小，控制精度越高； 理解说明： 此参数是用于吸收舵机在最终停止位置往返振荡所设置的。舵机接收到控制输入信号，然后与基准信号做差值，然后输出差值脉冲用于控制舵机内部直流电机正反转，经过齿轮组减速后，驱动舵盘和电位器转动，电位器输出反馈基准信号，直到电位器反馈的基准信号与输入信号完全一致时，舵机停止转动。 舵机实际运行到停止位置时，由于存在运动惯量，电位器输出的反馈基准信号与输入信号不能完全一致，差值脉冲在很小的范围内输出，导致舵机在停止位置附近往返振荡。 最小脉冲宽度的由来：为了解决往返振荡问题，在接近停止位附近用电路方式将差值脉冲吸收。 精确度误差的由来：由于差值脉冲被吸收掉，导致实际位置与目标位置存在差异；限值的差值脉冲越小，越接近目标位置。 死区参数优缺点： 优点：消除舵机在停止位置的往返振荡； 缺点：死区越小，精度越高，意味着死区范围内的差值脉冲调整越频繁；加剧对齿轮组和电位器的磨损； |
| 扭矩(kg*cm) | 舵机所能提供的最大扭矩。表示的是距离转动轴中心1cm处，舵机能够带动的重量。
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- 舵机的有3条输入线，本人接触的舵机线序颜色为：中间红色线为电源正极，棕色线为电源负极，黄色线为控制信号线，具体如下图所示。特别说明：不同的厂商制作的舵机的输入线颜色可能会存在不一致，但一般中间的线为红色正极，信号线可能为白色，负极可能为黑色，具体还是要参考舵机的数据手册。
舵机实物连接线
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舵机硬件连接
舵机硬件连接比较简单，给对应的引脚接上对应的线便可。注意硬件上电源功率要满足舵机功率要求便可。
02 文章总结
舵机相对于其他运动电机来说，无论是对硬件电路的设计要求，还是运动控制都要简单很多，本篇推送最主要的是要了解舵机的工作原理和控制原理，为后续舵机的精准控制以及多舵机的协调运动奠定基础。
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