伺服電機特別適用于機器人和自動化系統(tǒng)，例如步進電機。它們用于通過單個連接到 MCU 的邏輯門來獲得精確的角運動。它們是小塑料或金屬容器，其中有一根銷子，可以在 0° 到 180° 之間旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定地保持到達的位置。它使用帶有減速系統(tǒng)的直流電機，可在旋轉(zhuǎn)過程中增加扭矩。在伺服電機內(nèi)部，有一個控制電路能夠檢測達到的旋轉(zhuǎn)角度并將電機鎖定在所需的位置。伺服電機的電源通常為+5 V。邏輯信號線也遵循此值。

讓我們旋轉(zhuǎn)伺服電機

伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動必須通過微控制器執(zhí)行。事實上，這種類型的協(xié)議遵循一定數(shù)量的規(guī)則和 PWM 節(jié)奏，這些規(guī)則和 PWM 節(jié)奏只能由智能單元生成。實際上，這些脈沖的目的是使伺服電機執(zhí)行一次運動，通常是半圈甚至更少。請記住，它的樞軸不會自行旋轉(zhuǎn)很多圈，但旋轉(zhuǎn)通常限制在 180° 的延伸范圍內(nèi)。所產(chǎn)生脈沖的占空比寬度決定了行進的角距離。每個脈沖的持續(xù)時間必須約為 20 ms，而伺服電機行進的角度由高邏輯脈沖的持續(xù)時間決定，該持續(xù)時間必須在 1 ms 和 2 ms 之間。導(dǎo)頻的邏輯方案如圖2所示。

圖 2：有效脈沖的持續(xù)時間（1 ms 和 2 ms 之間）決定了伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度。

高扭矩

伺服電機可以連接反饋和糾錯裝置。它們的扭矩在不同的旋轉(zhuǎn)速度下可能非常高。因此，為了正確管理，觀察扭矩曲線很有用，這些曲線是表示伺服在其不同運行速度下可以產(chǎn)生的扭矩的特定圖表。圖 3中的圖表顯示了兩個操作區(qū)域：一個是連續(xù)的，另一個是間歇性的。在連續(xù)運行區(qū)域中，使用 RMS 轉(zhuǎn)矩，它處理加速、恒速和減速。如果伺服電機在高于額定溫度的環(huán)境中運行，則必須降低轉(zhuǎn)矩曲線。否則，可以安全地增加額定扭矩。

圖 3：發(fā)動機扭矩圖（來源：Motion Control Tips）

伺服電機示例

現(xiàn)在讓我們研究一下伺服電機的使用和驅(qū)動它的技術(shù)。為此，我們將使用 Arduino 開發(fā)板，即使在實踐中可以使用任何其他類型的 MCU。有幾十個庫可以輕松正確地驅(qū)動伺服電機。它們具有許多功能，只需幾行代碼即可以簡單的方式配置和管理設(shè)備。但是為了更好地理解它是如何工作的，最好從頭開始實現(xiàn)運動算法，而不使用第三方軟件組件。提議的方案還提供了伺服電機與 Arduino 的直接連接。雖然這適用于一個或兩個伺服系統(tǒng)，但最好實現(xiàn)一個單獨的功率級，尤其是在有許多伺服系統(tǒng)的情況下。圖4中的接線圖顯示了一個帶有三個常開按鈕和一個伺服電機的簡單應(yīng)用。按鈕的功能如下：

第一個按鈕將伺服電機向左移動。

第二個將其移至中心。

第三個將其向右移動。

這是一個可以在許多場合證明有用的試點系統(tǒng)。此外，用戶可以增加按鈕的數(shù)量以提供不同的動作。

圖 4：使用伺服電機的應(yīng)用接線圖

固件非常簡單，框圖如圖5所示。setup() 函數(shù)的目的是設(shè)置 I/O 端口的操作，特別是輸出中的端口 7，用于向伺服電機發(fā)送邏輯信號，以及輸入中的端口 8、9 和 10，用于按鈕。另一方面，loop() 函數(shù)包含無限重復(fù)的主代碼。在其中，三個按鈕在輪詢中連續(xù)檢查。如果其中之一被按下，MCU 會向伺服電機發(fā)送正確的 PWM 序列以使引腳旋轉(zhuǎn)。

圖 5：一個伺服電機和三個按鈕的驅(qū)動固件框圖

兩個伺服電機的示例

這個另一個例子涉及兩個伺服電機的交替運動，如圖 6 所示。當(dāng)?shù)谝粋€伺服旋轉(zhuǎn)時，另一個是靜止的，反之亦然。通過適當(dāng)?shù)匦薷某绦?，系統(tǒng)可以適應(yīng)無限的用途。例如，它可以用來控制機器人、機械臂、攪拌機、自動電機，或者更簡單地說，是玩具。當(dāng)按下按鈕時，其操作如下：

將第一個電機的銷向左移動。

將第二個電機的銷向左移動。

將第一個電機的銷向右移動。

將第二個電機的銷向右移動。

圖 6：具有兩個伺服電機的應(yīng)用接線圖

同樣，固件非常簡單，即使沒有使用 Arduino 庫。相關(guān)框圖如圖 7所示。setup() 函數(shù)的目的是設(shè)置 I/O 端口的操作，特別是輸出中的端口 7 和 8，用于向伺服電機發(fā)送邏輯信號，以及輸入中的端口 10，用于按鈕。另一方面，loop() 函數(shù)包含無限重復(fù)的主代碼。在其中，按鈕是連續(xù)控制的。如果按下它，MCU 會將 PWM 序列發(fā)送到兩個伺服電機以進行旋轉(zhuǎn)。

圖 7：兩個伺服電機和一個按鈕的驅(qū)動固件框圖

伺服電機的成本是多少？

伺服電機通常很昂貴（參見圖 8中的圖表）。非常小且動力不足的型號很便宜，但隨著輸出扭矩的增加，它們變得越來越昂貴。在某些情況下，需要大量的機械功率和高扭矩。降低價格的一個解決方案是采用直流齒輪電機。

圖 8：指示性價格根據(jù)伺服電機的強度而有所不同。

一個有趣的實際應(yīng)用：四個伺服與慢動作一致

最后一個例子是構(gòu)建一個由四個伺服電機組成的陣列，它們以相同的動作以極慢的速度運行。應(yīng)用可以多種多樣，如圖 9 所示，可以預(yù)見使用望遠鏡自動跟隨行星或使用太陽能電池板將它們定向到最大光的方向，以獲得最佳效率。四伺服電機系統(tǒng)的特點如下：

所有伺服電機的單一電源

所有伺服電機同步且均等運動（一致）

很慢的動作

?

要在多個伺服電機上同時運動，需要創(chuàng)建四個 PWM 通道。理論上，可以通過一個邏輯門控制四個設(shè)備，但在實踐中，最好使通信通道多樣化（參見圖 10中的接線圖）。事實上，未來的項目可能需要不同的輪換，在這種情況下，必須重新繪制接線圖，從而浪費時間。

固件包含兩個嵌套循環(huán)：

第一個，最里面的一個，發(fā)送 10 個 PWM 脈沖。可以看出，20 ms 的暫停是固定的，因為伺服電機在信號總周期的測量中具有很大的容差。

第二個，最里面的一個，它調(diào)整脈沖寬度（從 1,000 μs 到 2,000 μs）以確定引腳的旋轉(zhuǎn)角度。

四個伺服電機一起從左到右執(zhí)行極其緩慢的運動，反之亦然。通過修改數(shù)值參數(shù)，也可以改變時間和運行速度。

圖 10：伺服電機陣列接線圖

結(jié)論

今天驅(qū)動伺服電機非常簡單，因為它包含所有準(zhǔn)備好解釋接收到的脈沖并正確旋轉(zhuǎn)銷的邏輯。理論上，人們也可以避免使用微控制器并將信號的生成委托給邏輯門和觸發(fā)器，即使最終實現(xiàn)會更困難一些。標(biāo)準(zhǔn)型號的連接原理不會因制造商而異。特定庫的使用使代碼編程更加容易。

附件

本文隨附的是各個示例的三個草圖。您只需要編譯它們并將它們直接上傳到 Arduino 或在可能的模擬器中包含相關(guān)的 HEX 文件。附件是：

伺服01.ino

伺服02.ino

伺服03.ino

還應(yīng)該注意的是，Arduino IDE 提供了將“.ino”源存儲在同名文件夾中的功能。

　　審核編輯：湯梓紅