舵機原理
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- 舵機原理1、概述
舵機最早出現在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態是通過調節發動機和各個控制舵面來實現的。舉個簡單的四通飛機來說，飛機上有以下幾個地方需要控制：
1.發動機進氣量，來控制發動機的拉力（或推力）；
2.副翼舵面（安裝在飛機機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動；
3.水平尾舵面，用來控制飛機的俯仰角；
4.垂直尾舵面，用來控制飛機的偏航角；
遙控器有四個通道，分別對應四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉動，從而改變飛機的運動狀態。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。
不僅在航模飛機中，在其他的模型運動中都可以看到它的應用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉向等等。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現。
2、結構和控制
一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k、直流電機、控制電路板等。
工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號（具體信號待會再講），控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。
舵機的基本結構是這樣，但實現起來有很多種。例如電機就有有刷和無刷之分，齒輪有塑料和金屬之分，輸出軸有滑動和滾動之分，殼體有塑料和鋁合金之分，速度有快速和慢速之分，體積有大中小三種之分等等，組合不同，價格也千差萬別。例如，其中小舵機一般稱作微舵，同種材料的條件下是中型的一倍多，金屬齒輪是塑料齒輪的一倍多。需要根據需要選用不同類型。
舵機的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉動消耗。電源有兩種規格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應不同的轉矩標準，即輸出力矩不同，6.0V對應的要大一些，具體看應用條件；另外一根線是控制信號線，Futaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點，SANWA的某些型號的舵機引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。
舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內部有一個基準電路，產生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產生電機的轉動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅動器，轉動范圍不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅動當中。比方說機器人的關節、飛機的舵面等。
常見的舵機廠家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，國產的有北京的新幻想、吉林的振華等。現舉Futaba S3003來介紹相關參數，以供大家設計時選用。之所以用3003是因為這個型號是市場上最常見的，也是價格相對較便宜的一種（以下數據摘自Futaba產品手冊）。
尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm
重 量(Weight)： 37.2 g
工作速度(Operating speed)：0.23 sec/60°(4.8V)
0.19 sec/60°(6.0V)
輸出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V)
4.1 kg.cm (6.0V)
由此可見，舵機具有以下一些特點：
>體積緊湊，便于安裝；
>輸出力矩大，穩定性好；
>控制簡單，便于和數字系統接口；
正是因為舵機有很多優點，所以，現在不僅僅應用在航模運動中，已經擴展到各種機電產品中來，在機器人控制中應用也越來越廣泛。
3、用單片機來控制
正是舵機的控制信號是一個脈寬調制信號，所以很方便和數字系統進行接口。只要能產生標準的控制信號的數字設備都可以用來控制舵機，比方PLC、單片機等。這里介紹利用51系列單片機產生舵機的控制信號來進行控制的方法，編程語言為C51。之所以介紹這種方法只是因為筆者用2051實現過，本著負責的態度，所以敢在這里寫出來。程序用的是我的四足步行機器人，有刪改。單片機并不是控制舵機的最好的方法，希望在此能起到拋磚引玉的作用。
2051有兩個16位的內部計數器，我們就用它來產生周期20 ms的脈沖信號，根據需要，改變輸出脈寬。基本思路如下（請對照下面的程序）：
我用的晶振頻率為12M，2051一個時鐘周期為12個晶振周期，正好是1/1000 ms，計數器每隔1/1000 ms計一次數。以計數器1為例，先設定脈寬的初始值，程序中初始為1.5ms，在for循環中可以隨時通過改變a值來改變，然后設定計數器計數初始值為a，并置輸出p12為高位。當計數結束時，觸發計數器溢出中斷函數，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函數中，改變輸出p12為反相（此時跳為低位），在用20000（代表20ms周期）減去高位用的時間a，就是本周期中低位的時間，c=20000-a，并設定此時的計數器初值為c，直到定時器再次產生溢出中斷，重復上一過程。...
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