2015年（18）
分类： 嵌入式
2015-11-03 20:32:15
模型舵机的构造
舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达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，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。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五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。
为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机；并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，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。滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。目前新推出的 FET 舵机，主要是采用 FET(Field Effect Transistor)场效电晶体。FET 具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。
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模型舵机的技术规格
当今使用的舵机有模拟舵机和数字舵机之分（具体差别见第节），不过数字舵机还是相对较少。下面的技术规格同时适用与两种舵机。
舵机的规格主要有几个方面：转速、转矩、电压、尺寸、重量、材料等。我们在做舵机的选型时要对以上几个方面进行综合考虑。
转速由舵机无负载的情况下转过60°角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在0.11/60°~0.21S/60°之间。
舵机扭矩的单位是KG·CM，这是一个扭矩单位。可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1CM处，舵机能够带动的物体重量。
厂商提供的速度、转矩数据和测试电压有关，在4.8V和6V两种测试电压下这两个参数有比较大的差别。如Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg、速度为 0.22 秒，在 6.0V 时扭力为 5.2kg、速度为 0.18 秒。若无特别注明，JR 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。
舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。当然，有的舵机可以在7V以上工作，比如12V的舵机也不少。较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。选择舵机还需要看我们的控制卡所能提供的电压。
舵机的功率（速度×转矩）和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一般同样品牌的舵机，功率密度大的价格高。
塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿，金属齿轮的舵机则可能会电机过热损毁或外壳变形。所以材质的选择并没有绝对的倾向，关键是将舵机使用在设计规格之内。
用户一般都对金属制的物品比较信赖，齿轮箱期望选择全金属的，舵盘期望选择金属舵
盘。但需要注意的是，金属齿轮箱在长时间过载下也不会损毁，最后确是电机过热损坏或外壳变形，而这样的损坏是致命的，不可修复的。塑料出轴的舵机如果使用金属舵盘是很危险的，舵盘和舵机轴在相互扭转过程中，金属舵盘不会磨损，舵机轴会在一段时间后变得光秃，导致舵机完全不能使用。
综上，选择舵机需要在计算自己所需扭矩和速度，并确定使用电压的条件下，选择有150%左右甚至更大扭矩富余的舵机。
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舵机是一个微型的伺服控制系统，具体的控制原理可以用下图表示：
工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
模拟舵机需要一个外部控制器（遥控器的接收机）产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置。如下图所示：
需要解释的是舵机原来主要用在飞机、汽车、船只模型上，作为方向舵的调节和控制装置。所以，一般的转动范围是45°、60°或者90°，这时候脉冲宽度一般只有1ms-2ms之间。而后舵机开始在机器人上得到大幅度的运用，转动的角度也在根据机器人关节的需要增加到-90度至90度之间，脉冲宽度也随之有了变化。
模型舵机故障的判断与修理
舵机一般故障判断：
1）炸机后舵机电机狂转、舵盘摇臂不受控制、摇臂打滑------------------可以断定：齿轮扫齿了，换齿轮。
2）炸机后舵机一致性锐减，现象是炸坏的舵机反应迟钝，发热严重，但是可以随着控的指令运行，但是舵量很小很慢-------------基本断定：舵机电机过流了，拆下电机后发现电机空载电流很大（>150MA），失去完好的性能(完好电机空载电流≤60-90MA)，换舵机电机。
3）炸机后舵机打舵后无任何反应---------------基本确定舵机电子回路断路、接触不良或舵机的电机、电路板的驱动部分烧毁导致的，先检查线路，包括插头，电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，先将电机卸下测试空载电流，如果空载电流小于90MA，则说明电机是好的，那问题绝对是舵机驱动烧坏了，9-13克微型舵机电路板上面就有2个或四个小贴片三极管，换掉就可以了，有2个三极管的那肯定是用Y2或IY直接代换，也就是SS8550，如果是有四个三极管的H桥电路，则直接用2个Y1（SS8050）和2个(SS8550)直接代换，65MG的UYR 用Y 1(SS8050 IC=1.5A); UXR------用Y2（SS8550，IC=1.5A）直接代换。
4）舵机故障是摇臂只能一边转动，另外一边不动的话-----------判断：舵机电机是好的，主要检查驱动部分，有可能烧了一边的驱动三极管，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--------------说明舵机电机的正负极或电位器的端线接错了，电机的两个接线倒个方向就可以了。
6）崭新的舵机买回来后，通电发现舵机狂抖，但用一下控的摇臂后，舵机一切正常----------说明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，上好减速箱螺丝后，安上舵机摇臂，用手反复旋转摇臂碾磨金属舵机齿轮，直至齿轮运转顺滑、齿轮摩擦噪音减小后，将舵机齿轮卸下汽油清洗后，装齿轮上硅油组装好舵机，即可解决舵机故障。
7）有一种故障舵机表现很古怪：摇动控的遥感，舵机有正常的反应，但是固定控的遥感某一位置后，故障舵机摇臂还在慢慢的运行，或者摇臂动作拖泥带水，并来回动作------------------经过多次维修后发现问题所在：应该紧密卡在舵机末级齿轮中电位器的金属转柄，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控发出的位置指令，反馈不准，不停寻找导致的，解决了电位器与摇臂齿轮的紧密结合后，故障可以排除。按照改方法检修后故障仍旧存在的话，也有可能是舵机电机的问题或电位器的问题，需要综合分析逐一排查！
8）故障舵机不停的抖舵，排除无线电干扰，动控摇臂仍旧抖动的话----------电位器老化，换之，或直接报废掉，当配件！
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