船用舵机的工作原理

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。

技术规格

厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(mm)、扭力(kg-cm)、速度(秒/60°)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是

kg-cm，意思是在摆臂长度

1

公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是

sec/60°，意思是舵机转动

60°所需要的时间。

电压会直接影响舵机的性能，例如

Futaba

S-9001

在

48V

时扭力为

39kg、速度为

022

秒，在

60V

时扭力为

52kg、速度为

018

秒。若无特别注明，JR

的舵机都是以

48V

为测试电压，Futaba则是以

60V

作为测试电压。所谓天下没有白吃的午餐，速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的镍镉电池，能提供稳定且充裕的电流，才可发挥舵机应有的性能。

吴鉴鹰单片机实战精讲中有相关问题的解释。

在单片机开发过程中，从硬件设计到软件设计几乎是开发者针对本系统特点亲自完成的。这样虽然可以降低系统成本，提高系统的适应性，但是每个系统的调试占去了总开发时间的2/3，可见调试的工作量比较大。单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。本文结合作者在单片机开发过程中体会，讨论硬件调试的技巧。

当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体分为以下几步。

1 硬件静态的调试

11排除逻辑故障

这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线(地址总线、数据总线和控制总线)是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。

12排除元器件失效

造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了;另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。

13排除电源故障

在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V～48V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。

2 联机仿真调试

联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。

信号线是联络8031和外部器件的纽带，如果信号线连结错误或时序不对，那么都会造成对外围电路读写错误。51系列单片机的信号线大体分为读、写信号线、片选信号线、时钟信号线、外部程序存贮器读选通信号(PSEN)、地址锁存信号(ALE)、复位信号等几大类。这些信号大多属于脉冲信号，对于脉冲信号借助示波器(这里指通用示波器)用常规方法很难观测到，必须采取一定措施才能观测到。应该利用软件编程的方法来实现。例如对片选信号，运行下面的小程序就可以检测出译码片选信号是否正常。

MAIN：MOVDPTR，#DPTR

;将地址送入DPTR

MOVXA，@DPTR

;将译码地址外RAM中的内容送入ACC

NOP;适当延时

SJMPMAIN;循环

执行程序后，就可以利用示波器观察芯片的片选信号引出脚(用示波器扫描时间为1μs/每格档)，这时应看到周期为数微秒的负脉冲波形，若看不到则说明译码信号有错误。

对于电平类信号，观测起来就比较容易。例如对复位信号观测就可以直接利用示波器，当按下复位键时，可以看到8031的复位引脚将变为高电平;一旦松开，电平将变低。

总而言之，对于脉冲触发类的信号我们要用软件来配合，并要把程序编为死循环，再利用示波器观察;对于电平类触发信号，可以直接用示波器观察。

下面结合在自动配料控制系统中键盘、显示部分的调试过程来加以说明。本系统中的键盘、显示部分都是由并行口芯片8155扩展而成的。8155属于可编程器件，因而很难划分硬件和软件，往往在调试中即使电路安装正确没有一定的指令去指挥它工作，也是无法发现硬件的故障。因此要使用一些简单的调试程序来确定硬件的组装是否正确、功能是否完整。在本系统中采取了先对显示器调试，再对键盘调试。

首先增量式PID是位置式PID的演化。它们的主要区别在于：

1：增量式PID的计算量相对较小，因为是计算的是增量，所以对执行部件的扰动较小，一般采用带死区的控制。对于智能车的舵机控制增量式PD是不错的选择，为什么不用积分I呢？不仅仅是因为积分滞后特性，更重要的是因为根据对转向机构进行建模，得出的模型中就已经含有积分环节，所以转向舵机建议采用PD。

2：位置式PID计算量比增量式PID稍微多一点。一般用于直流电机的控制，对于智能车的驱动电机控制是一个不错的经典控制算法。

希望对你有所帮助。

1、概述

舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。举个简单的四通飞机来说，飞机上有以下几个地方需要控制：

1发动机进气量，来控制发动机的拉力（或推力）；

2副翼舵面（安装在飞机机翼后缘），用来控制飞机的横滚运动；

3水平尾舵面，用来控制飞机的俯仰角；

4垂直尾舵面，用来控制飞机的偏航角；

遥控器有四个通道，分别对应四个舵机，而舵机又通过连杆等传动元件带动舵面的转动，从而改变飞机的运动状态。舵机因此得名：控制舵面的伺服电机。

不仅在航模飞机中，在其他的模型运动中都可以看到它的应用：船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等等。由此可见，凡是需要 *** 作性动作时都可以用舵机来实现。

2、结构和控制

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。

工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。

舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。

舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是48V，一是60V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，60V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，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔**。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。

舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从05ms-25ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度15ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。

常见的舵机厂家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，国产的有北京的新幻想、吉林的振华等。现举Futaba S3003来介绍相关参数，以供大家设计时选用。之所以用3003是因为这个型号是市场上最常见的，也是价格相对较便宜的一种（以下数据摘自Futaba产品手册）。

尺 寸(Dimensions)： 404×198×360 mm

重 量(Weight)： 372 g

工作速度(Operating speed)：023 sec/60°(48V)

019 sec/60°(60V)

输出力矩(Output torque)： 32 kgcm (48V)

41 kgcm (60V)

由此可见，舵机具有以下一些特点：

>体积紧凑，便于安装；

>输出力矩大，稳定性好；

>控制简单，便于和数字系统接口；

正是因为舵机有很多优点，所以，现在不仅仅应用在航模运动中，已经扩展到各种机电产品中来，在机器人控制中应用也越来越广泛。

3、用单片机来控制

正是舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比方PLC、单片机等。这里介绍利用51系列单片机产生舵机的控制信号来进行控制的方法，编程语言为C51。之所以介绍这种方法只是因为笔者用2051实现过，本着负责的态度，所以敢在这里写出来。程序用的是我的四足步行机器人，有删改。单片机并不是控制舵机的最好的方法，希望在此能起到抛砖引玉的作用。

2051有两个16位的内部计数器，我们就用它来产生周期20 ms的脉冲信号，根据需要，改变输出脉宽。基本思路如下（请对照下面的程序）：

我用的晶振频率为12M，2051一个时钟周期为12个晶振周期，正好是1/1000 ms，计数器每隔1/1000 ms计一次数。以计数器1为例，先设定脉宽的初始值，程序中初始为15ms，在for循环中可以随时通过改变a值来改变，然后设定计数器计数初始值为a，并置输出p12为高位。当计数结束时，触发计数器溢出中断函数，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函数中，改变输出p12为反相（此时跳为低位），在用20000（代表20ms周期）减去高位用的时间a，就是本周期中低位的时间，c=20000-a，并设定此时的计数器初值为c，直到定时器再次产生溢出中断，重复上一过程。

舵机电机的转动，通过齿轮组减速后，同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动。直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全相同时，差值脉冲消失时才会停止转动。

舵机是指在自动驾驶仪中 *** 纵飞机舵面（ *** 纵面）转动的一种执行部件。分有：①电动舵机，由电动机、传动部件和离合器组成。接受自动驾驶仪的指令信号而工作，当人工驾驶飞机时，由于离合器保持脱开而传动部件不发生作用。②液压舵机，由液压作动器和旁通活门组成。当人工驾驶飞机时，旁通活门打开，由于作动器活塞两边的液压互相连通而不妨害人工 *** 纵。此外，还有电动液压舵机，简称“电液舵机”。舵机的大小由外舾装按照船级社的规范决定，选型时主要考虑扭矩大小。如何审慎地选择经济且合乎需求的舵机，也是一门不可轻忽的学问。（图/文/摄： 邹婷1） 星瑞 理想ONE Model Y Model X 高合HiPhi X 零跑T03 @2019

舵机和传感器都可以使用正反馈的原理进行控制和调节。

舵机是一种通过信号控制角度的电机，可以实现精确的位置控制。在控制舵机时，通常使用的是PWM信号进行控制。PWM信号的占空比可以控制舵机的转动角度和速度。在舵机转动的过程中，实际角度与目标角度之间存在误差。为了减小误差，可以使用正反馈的原理，将舵机当前的位置信息反馈给控制器，通过比较当前位置和目标位置之间的误差，调整PWM信号的占空比，控制舵机转动到目标位置，从而实现更精确的位置控制。

传感器是一种用于测量物理量的设备，例如温度、湿度、压力、光强等等。在使用传感器进行测量时，通常需要校准传感器的灵敏度和精度。为了实现更精确的测量，可以使用正反馈的原理，将传感器输出的数据反馈给控制器，通过比较实际测量值和目标值之间的误差，调整传感器的灵敏度和精度，从而实现更精确的测量结果。

需要注意的是，使用正反馈的原理进行控制和调节时，需要根据具体的应用场景和需求进行选择和设计，并进行合理的参数设置和调整，以保证系统的稳定性和可靠性。

给你个Step 7写的PID控制的FC模块。带"_IN"与带"_OUT"的变量，如果前缀是一样的，要求连接同一个变量。

FUNCTION FC1 : VOID

VAR_INPUT

Run:BOOL; //True-运行，False-停止

Auto:BOOL; //True-自动，False-手动

ISW:BOOL; //True-积分有效，False-积分无效

DSW:BOOL; //True-微分有效，False-微分无效

SetMV:REAL; //手动时的开度设定值

SVSW:REAL; //当设定值低于SVSW时，开度为零

PV:REAL; //测量值

SV:REAL; //设定值

DeadBand:REAL; //死区大小

PBW:REAL; //比例带大小

IW:REAL; //积分带大小

DW:REAL; //微分带大小

dErr_IN:REAL; //误差累积

LastPV_IN:REAL; //上一控制周期的测量值

END_VAR

VAR_OUTPUT

MV:REAL; //输出开度

dErr_OUT:REAL; //误差累积

LastPV_OUT:REAL;//上一控制周期的测量值

END_VAR

VAR

Err:REAL; //误差

dErr:REAL; //误差累积

PBH:REAL; //比例带上限

PBL:REAL; //比例带下限

PVC:REAL; //测量值在一个控制周期内的变化率，即测量值变化速率

P:REAL; //比例项

I:REAL; //积分项

D:REAL; //微分项

END_VAR

IF Run=1 THEN

IF Auto=1 THEN

IF SV>=SVSW THEN

Err:=SV-PV;

PBH:=SV+PBW;

PBL:=SV-PBW;

IF PV<PBL THEN

MV:=1;

ELSIF PV>PBH THEN

MV:=0;

ELSE

P:=(PBH-PV)/(PBH-PBL); //计算比例项

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////////////////以下为积分项的计算//////////////////////////////////////////////////////////////

IF ISW=1 THEN

dErr:=dErr_IN;

IF (PV<(SV-DeadBand)) OR (PV>(SV+DeadBand)) THEN

IF (dErr+Err)<(0-IW) THEN

dErr:=0-IW;

ELSIF (dErr+Err)>IW THEN

dErr:=IW;

ELSE

dErr:=dErr+Err;

END_IF;

END_IF;

I:=dErr/IW;

dErr_OUT:=dErr;

ELSE

I:=0;

END_IF;

/////////////////////////////////////////////以上为积分项的计算//////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////////////////以下为微分项的计算//////////////////////////////////////////////////////////////

IF DSW=1 THEN

PVC:=LastPV_IN-PV;

D:=PVC/DW;

LastPV_OUT:=PV;

ELSE

D:=0;

END_IF;

/////////////////////////////////////////////以上为微分项的计算//////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

IF (P+I+D)>1 THEN

MV:=1;

ELSIF (P+I+D)<0 THEN

MV:=0;

ELSE

MV:=P+I+D;

END_IF;

END_IF;

ELSE

MV:=0;

END_IF;

ELSE

MV:=SetMV;

END_IF;

ELSE

MV:=0;

END_IF;

END_FUNCTION

以上就是关于船用舵机的工作原理全部的内容，包括:船用舵机的工作原理、51单片机控制舵机问题、我不懂位置式PID和增量式PID的区别，我要控制电机实现智能车跑，要用哪种好啊等相关内容解答，如果想了解更多相关内容，可以关注我们，你们的支持是我们更新的动力！