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舵機

本節自習課我們來聊一下舵機

首先我們看一下我們的內容列表(圖1),主要瞭解什麼是舵機、拆開一個舵機、舵機的工作原理、以及如何使用舵機。

圖1

舵機作為機器人的執行器,其實與電機的功能非常的像,為機器人提供動力。它和肌肉與關節搭配起來的功能一樣,手就是有瞭肌肉與關節的存在,才能完成“握住”與“釋放”物體的動作。常見的機械爪,動力提供使用的就是舵機。(圖2)

圖2

1、什麼是舵機?

簡單來說,舵機是用來使遙控飛機、遙控船模的“舵”轉動,舵又能控制模型飛機與模型船的運動方向。所以名字裡有一個“舵”。舵機經常舵機被使用的地方(圖3)。

圖3

2、舵機的內部構造?

舵機主要由電機、減速齒輪組、電位器、控制電路、外殼、以及舵盤組成。零件不多,構造也並不復雜,隻要研究清楚每一部分的功能,我們自然就瞭解瞭舵機的工作原理。舵機拆解圖。(圖4)

圖4

與功能最主要相關的就是以上這四部分,接下來我們展開聊一下。舵機核心部件(圖5)。

圖5

2.1減速齒輪組—想給電機加個“杠桿”

我們變速自行車就是利用的齒輪組改變力量的原理,當我們切換高速檔,是腳踏的大齒輪帶動小齒輪,大齒輪轉一圈,小齒輪轉好多圈,速度快但是比較費力。當我們山坡切換低速檔,是腳踏的小齒輪帶動大齒輪,速度雖然慢但是很省力(圖6)。

圖6

2.2有刷直流電機—你讓我轉我就轉

一定有人會問,既然舵機是為瞭提供轉動的動力,電機也可以轉動,為什麼不直接用電機提供動力(圖7)?這個問題相當的好。1、電機的轉速雖然可以做到很快,但扭力一般比較小,舵機有減速齒輪組,在功率差不多的情況下,產生的扭力比電機大。2、電機在轉動一圈時,精度比較差,舵機可以做到轉動大概30度這種精度的操作,而單獨的電機卻很難實現。

但也存在減速電機,在電機內加上瞭減速齒輪組(行星齒輪)來增大扭力。為瞭解決轉動精度問題,也有將電機轉軸加上一個測量角度的傳感器,提高瞭轉動的精度,這又是後話。

圖7

2.3電位器—我做傳感器的機會可不多

初中物理中見到的滑動變阻器是這樣的(圖8),這裡的變阻器並不是這種形態的,而是(圖9)這樣的,但原理是一樣的。它作用並不是一個調節電壓、電流的電路元件,而是起到傳感器作用獲取舵機實際轉動到什麼位置。我們生活中的會使用到“旋鈕”,比如音量調節開關,可以將音量調節到我們想要的程度,就是使用的電位器。

圖8

我們來舉個例子,我們扭動水龍頭,發現水流一點一點變大。當我們熟練的對應起水流大小與水龍頭扭動的程度後,別人去扭水龍頭,我們隻看水流大小,就可以知道剛才的那個人扭瞭幾圈。其實電位器作為傳感器就是轉動瞭我的位置我的電壓就也改變瞭。

當然瞭通過水流猜測水龍頭轉瞭多少圈肯定不精確,事實上使用電位器作為傳感器的確精度感人,是一種低成本的方案,這也是舵機精度不高的重要因素。

圖9

2.4控制電路—為瞭你們我可操碎瞭心

控制電路就相當於舵機的大腦,其實電機、電位器、齒輪組都沒腦子。電機隻正轉反轉,電位器隻知道舵機現在轉到什麼位置,真正把一切掌握住的是控制電路,它才是知道信號線裡面讓舵機轉到什麼位置,一次一次靠著電位器的信息,支配著電機,實現瞭舵機讓你轉到那就轉到哪的功能(圖10)。

這裡其實出現瞭一個概念,由控制電路到執行器到傳感器去監測執行器又回到控制器這形成的一個閉環,這裡我們不展開,舵機有瞭這個閉環就搖身一變成為低成本的伺服系統,而單純的電機卻不是,有些事它真的想做也做不到,這也是有些地方使用舵機不直接使用電機的原因之一。

3、如何使用舵機

3.1信號線裡的秘密

我們首先要明確一下舵機的接線(圖11),供電線不用說,一條正極一條負極,是為舵機提供能源的。這根信號線內包含著”支配“舵機的秘密。

圖11

信號“走”在瞭導線上,我們沒有辦法用眼睛看到,但我們可以用圖形化的設備觀測到(示波器)。沒什麼高端的,就像顯微鏡、X光、B超、望遠鏡一樣,幫助人們看到肉眼看不到或者不容易觀測到的東西。使用示波器就可以觀測到導線裡的秘密,黃色是使用示波器測量的一個舵機信號線內的的信號(圖12)。

3.2奇怪的PWM

看起來很奇怪,一個像長城邊沿一樣的圖像,形如這種形狀的信號我們叫它”脈沖寬度調制波“簡稱PWM。

圖12

那為什麼這個信號是這樣形狀的呢?這要從這個信號是怎麼產生的來說起,當我們走到燈的旁白你,我們按開關,讓燈亮0.5秒鐘,然後再讓燈滅0.5秒鐘,我們以時間為橫坐標,燈泡的電壓縱坐標就會得到這樣形狀的一條曲線瞭。

3.3PWM的參數

PWM波有它的參數,頻率就是我們一秒時間中,燈亮的次數,我們可以數一數突起。周期就是相鄰亮與滅的時間長度,對於剛才我們所說的亮0.5秒,滅0.5秒的PWM信號,周期顯然是1秒。占空比是一個比例,如圖12所示。

圖13

任何能夠產生符合舵機要求PWM的設備都可以控制舵機,但是你的PWM要符合我的條件,①PWM的突起部分的電壓要在我能識別的范圍之內,不能過高也不能過低。②頻率為50HZ,也就是1秒鐘內要開關50次。③高電平的持續時間在0.5毫秒-2.5毫秒之間。也就是你在開關的過程中,燈亮的時間不能太短,低於0.5毫秒,也不能太長超過2.5毫秒。

圖14

3.4舵機吃PWM的哪一套?

那麼PWM信號是如何對應上舵機的角度呢?我們看圖15就可以清晰的知道,隨著我們”燈泡亮的時間增長"(PWM高電平的持續時間增長),舵機也由一端向另一端轉動。為什麼說是一端到另一端呢?因為舵機還是有很多種的,它們的能力不同,有的能轉270°的范圍,有的隻能轉180°的范圍,甚至有的隻能轉90°的范圍。但它們接收的PWM信號都如出一轍,所以隻能說是一端與一端。不過無論你是什麼范圍的舵機,1毫秒時,舵機都是轉到中心位置的,這點舵機內倒是挺統一。

圖15

需要註意:PWM信號是持續產生並由信號線輸入舵機的,舵機才能轉到某個位置並且維持在這個位置。一旦信號消失,舵機立馬就不幹活瞭。就像我們坐著馬車,小皮鞭子要緊跟馬屁股,想要馬慢走就輕點慢點打,想快就快馬加鞭,馬鞭一停,馬就靠邊吃草瞭。

接下來我們開始自習,有問題可以留言。下節自習我們來聊一下“齒輪“。

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