1.3.3 机器人的舵机
1．舵机
舵机，顾名思义就是掌舵的电动机，用于控制方向。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
舵机的应用已经有很长时间了，它的体积很小，作用却很大，主要用于角度控制，通常应用于航模、智能小车、机器人。舵机在工业上也有应用，比如船舶、在线制造、制药等控制。导弹姿态变换的俯仰、偏航、滚转运动，都是靠舵机相互配合完成的。
舵机其实就是个低端的伺服电动机系统，它也是最常见的伺服电动机系统，因此英文叫作Servo（Servomotor的简称）。它将PWM信号与滑动变阻器的电压相比对，通过硬件电路实现固定控制增益的位置控制。也就是说，它包含了电动机、传感器和控制器，是一个完整的伺服电动机（系统）。舵机价格低廉、结构紧凑，但精度很低，位置镇定能力较差，能够满足很多低端需求。
2．伺服电动机
伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）任意变化的自动控制系统。
伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电动机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为伺服电动机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电动机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样和伺服电动机接收的脉冲形成呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电动机，同时又收了多少脉冲回来，从而能很精确地控制电动机的转动，实现精确定位，精度可以达到0.001mm。
（1）直流伺服电动机
直流伺服电动机分为有刷电动机和无刷电动机。
有刷电动机成本低、结构简单、启动转矩大、调速范围宽、控制容易，但维护不方便（换碳刷），易产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电动机体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、转动平滑、力矩稳定、控制复杂、容易实现智能化。其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电动机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，寿命长，可用于各种环境。
（2）交流伺服电动机
交流伺服电动机是无刷电动机，分为同步电动机和异步电动机。
目前运动控制中一般都用同步电动机，它的功率范围大，可以做到很大的功率，惯量大，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合应用在低速平稳运行的场合。伺服电动机内部的转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机的精度决定于编码器的精度（线数）。
交流伺服电动机和无刷直流伺服电动机在功能上的区别：交流伺服电动机因为是正弦波控制，转矩脉动小；直流伺服电动机是梯形波控制，转矩脉动大。但直流伺服电动机比较简单，价格便宜。
舵机与普通直流电动机的主要区别：舵机一般而言都有最大旋转角度（比如180°），只能在一定角度内转动，不能一圈圈转（数字舵机可以在舵机模式和电动机模式中切换），直流电动机是一圈圈转动的。普通直流电动机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以。它们的用途也不同，普通直流电动机一般是整圈转动做动力用，舵机是控制某物体转动一定角度用（比如机器人的关节）。
3．舵机的组成
（1）舵机的类型
舵机的形状和大小不一，大致可以分为标准舵机、微型舵机、大扭矩舵机。这几种舵机都是三线控制。如图1-9所示。
图1-9 常见的舵机外观图
标准舵机的优点是价格便宜，金属齿轮，耐用度也不错。缺点是扭矩比较小，所以负载不能太大。做双足机器人腿部关节的话，标准舵机就不是很合适，因腿部受力太大，适合于做普通的六足机器人腿部关节，或机械手的关节。
大扭矩舵机的优点是扭矩大，全金属齿轮，价格不贵，适合于做双足机器人的腿部关节。
数字舵机是机器人专用舵机，可使用RS485串口与控制板通信。
（2）舵机的结构
各种品牌型号的舵机结构几乎都是一样的，一般情况下，舵机的输出轴都是偏向一边的，这是由于内部齿轮组安装方式的原因。拆开舵机，可以很明显地看出，舵机和步进电动机的动力是有区别的，舵机的驱动力来自直流电动机，通过变速齿轮的传动和变速，将动力传输到输出轴，同时，舵机内部都设有角度传感器和控制电路板，用来参与舵机转动角度的控制和信号的反馈检测工作。
图1-10所示是一个普通舵机的内部结构图，其组成部分主要有输出轴、变速齿轮组、角度传感器、直流电动机、控制电路板、壳体等。
舵机底壳拆开后就可以看到直流电动机与控制电路板，控制电路板拿起来后，下方是与控制电路板连接的角度传感器。直流电动机、角度传感器与变速齿轮组相连，经过多级齿轮放大后，通过输出轴输出。
图1-10 舵机的内部结构图
控制电路板主要是用来驱动直流电动机和接收角度传感器反馈回来的信息；直流电动机提供驱动动力；角度传感器一般由电位器构成，作用是通过其旋转后产生的电阻变化，把信号发送回控制电路板，使其判断输出轴角度是否输出正确；变速齿轮组的作用主要是力量的放大、速度的降低，使小功率电动机产生大扭矩。
4．舵机的工作原理
从舵机的组成上看，它是由直流电动机、变速齿轮组、角度传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转的角度。如图1-11所示。
图1-11 舵机的工作流程
其工作原理是舵机接收到转角指示信号，经由控制电路板透过变速齿轮将动力传至摆臂，同时由角度传感器送回信号。
舵机的工作原理可以通过图1-12所示的控制回路图说明，这个控制系统属于闭环控制系统。
图1-12 舵机的工作原理图
控制电路板接收来自信号线的控制脉冲信号，驱动直流电动机开始转动，直流电动机带动一系列齿轮组，减速后将动力传动至输出轴。舵机的输出轴和角度传感器是相连的，输出轴转动的同时，带动角度传感器改变位置，角度传感器输出一个与角度相应的电压信号到控制电路板进行反馈，控制电路板根据所在角度判断是否已经到达定位。当反馈回的角度与接收的控制信号不一致时，控制电路板根据所在角度决定直流电动机转动的方向和速度。一旦反馈回的角度与接收的控制信号一致时，则达到目标，停止转动。
角度传感器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，借由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服电动机是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动的物体质量越大，所需的作用力也越大。舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的无极中空转子，并将磁铁置于圆柱体内，这就是空心杯电动机。
为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机；并且为满足不同负载需求，舵机的齿轮有塑胶和金属之分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭矩及高速型，具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时能更轻快精准。
5．舵机的控制方法
舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，控制线是用来传送脉冲的。脉冲的参数有最小值、最大值和频率。
一般地，舵机内部有一个基准电路，产生一个周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号。这个基准信号对应的位置为舵机的中间位置。每台舵机都有最大转动角度，中间位置的定义就是从这个位置到最大角度与最小角度的量完全一样。不同舵机的最大转动角度可能不相同，但是其中间位置的脉冲宽度是一定的，那就是1.5ms。如图1-13所示。
图1-13 舵机的工作控制脉冲
角度是由来自控制线的持续脉冲所产生。这种控制方法叫作脉冲调制（PWM）。脉冲的长短决定舵机转动多大角度。例如1.5ms脉冲会到转动到中间位置，对于180°舵机来说，就是90°位置，一般的舵机的运动范围是180°，如图1-14所示。
图1-14 舵机的脉冲调制
舵机的控制信号周期为20ms的脉宽调制信号，其中脉宽从0.5~2.5ms变化，相应的舵盘位置从0°~180°，呈线型变化。也就是说，给舵机提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定的对应角度，无论外接转矩怎么改变，直到给它提供另外一个脉冲信号，它才会改变输出角度到对应新的位置上。
当舵机接收到一个小于1.5ms的脉冲，输出轴会以中间位置为标准，逆时针旋转一定角度。若接收到的脉冲大于1.5ms则情况相反。不同品牌，甚至同一品牌的不同舵机，都会有不同的最大值和最小值。一般而言，最小脉冲为1ms，最大脉冲为2ms。
当控制系统发出指令，让舵机移动到某一位置，并保持一个角度，这时外力的影响不会让其角度产生变化，但是这是有上限的，上限就是其最大扭矩，一旦超出了最大扭矩，除非控制系统不停地发出脉冲稳定舵机的角度，舵机的角度不会一直不变。
舵机的引线一般为三线控制，红色为供电电源，棕色为公共地，黄色为信号端。红色的是电源线，一般在中间；黑色的或棕色的是公共地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电动机的转动消耗。电源有两种规格，4.8V与6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件。另外一根线是控制信号线，一般为白色，有的为橘黄色。控制舵机的时候，需要不断地从控制信号线输入PWM方波才能使得舵机固定在某个角度。
要注意的一点是，某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要仔细确认。
6．舵机的技术规格
生产厂商所提供的舵机都会附有技术规格资料。一般会包含外形尺寸（mm）、扭矩（kg/cm）、速度（sec /60°）、工作电压（V）及重量（g）等基本资料。扭矩的单位是kg/cm，意思是在摆臂长度 1 cm处，能吊起多少kg的物体。这是力臂的观念，因此摆臂长度越长，则扭矩越小。速度的单位是sec/60°，意思是舵机转动60°所需要的时间。
工作电压会直接影响舵机的性能，例如，Robix S-9001 在 4.8V时扭矩为 3.9kg/cm、速度为 0.22sec/60°，在 6.0V时扭矩为 5.2kg/cm、速度为 0.18sec/60°。若无特别注明，Robix的舵机都是以4.8V为测试电压，Futaba则是以6.0V作为测试电压。
7．舵机的故障维修
舵机一般故障判断如下。
1）舵机电动机狂转、舵盘摇臂不受控制、摇臂打滑。
故障判断：齿轮扫齿了，需要更换齿轮。
2）舵机一致性锐减，现象是诈坏的舵机反应迟钝，发热严重，虽然可以在接收到控制指令后运行，但是转角很小、转速很慢。
故障判断：舵机电动机过电流了，拆下电动机后发现电动机空载电流很大（>150mA），失去完好的性能（完好电动机空载电流≤90mA），应更换舵机电动机。
3）舵机打舵后无任何反应。
故障判断：舵机电子回路断路、接触不良或舵机的电动机、电路板的驱动部分烧毁导致的故障。
应先检查线路（包括插头），判断电动机引线和舵机引线是否有断路现象。如果没有的话，就进行逐一排除：先将电动机卸下测试空载电流，如果空载电流小于90mA，则说明电动机是好的，那问题就是舵机驱动烧坏了。
9~13克微型舵机电路板上，一般有2个或4个小贴片晶体管。维修更换时，有2个晶体管的电路板，可以用SS8550/Y2或SS8550/IY型号的PNP晶体管直接代换；有4个晶体管的带H桥电路的电路板，可以直接用2个SS8050/Y1和2个SS8550/IY型号的NPN晶体管直接代换，65MG型号舵机上的电路板，其UYR用SS8550/Y1型号的NPN晶体管代换，UXR用SS8550/Y2型号的PNP晶体管代换。
4）舵机摇臂只能一边转动，另外一边不动。
故障判断：舵机电动机是好的，主要检查驱动部分，有可能烧了一边的驱动晶体管，按照3）维修即可。
5）维修好舵机后通电，发现舵机向一个方向转动后就卡住不动了，舵机吱吱地响。
故障判断：舵机电动机的正负极或电位器的端线接错了，将电动机的两个接线倒个方向就可以了。
6）新舵机买回来后，刚通电就发现舵机抖动，但动一下摇臂后，舵机恢复正常。
故障判断：舵机在出厂的时候装配不当或齿轮精度不够，这个故障一般发生在金属舵机上面，如果不想退货或者更换的话，自行解决的方法：卸下舵机后盖，将舵机电动机与舵机减速齿轮分离后，在齿轮之间挤点牙膏，上好舵机齿轮顶盖，上好减速箱螺钉后，装上舵机摇臂，用手反复旋转摇臂碾磨金属舵机齿轮，直至齿轮运转顺滑、齿轮摩擦噪声减小，并将舵机齿轮卸下，用汽油清洗，在齿轮上涂抹硅油，组装好舵机，即可解决舵机故障。
7）有一种故障舵机表现很古怪：摇动其摇臂，舵机有正常的反应，但是将其摇臂固定在某一位置后，故障舵机摇臂还在慢慢地运行，或者摇臂动作拖泥带水，并来回动作。
故障判断：应该紧密卡在舵机末级齿轮中角度传感器的金属转柄，与舵机摇臂大齿轮（末级）结合不紧，甚至发生打滑现象，导致舵机无法正确寻找发出的位置指令，是反馈不准、不停寻找导致。解决了角度传感器与摇臂齿轮的紧密结合后，故障可以排除。按照该方法检修后故障仍旧存在的话，可能是舵机电动机的问题或电位器的问题，需要综合分析，逐一排查。
8）故障舵机不停地抖舵。
故障判断：排除无线电干扰，动控摇臂仍旧抖动的话说明角度传感器老化，需更换掉或将舵机报废掉。