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舵机的原理和控制

2021-10-20 16:53:54


一、舵机原理简述

操控信号由接收机的通道进入信号调制芯片,取得直流偏置电压。它内部有一个基准电路,发生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将取得的直流偏置电压与电位器的电压比较,取得电压差输出。电压差的正负输出到电机驱动芯片决议电机的正回转。当电机转速一守时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止滚动。



舵机的操控一般需求一个20ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度操控脉冲部分,总距离为2ms。以180度角度伺服为例,那么对应的操控联系是这样的:


   0.5ms--------------0度;


   1.0ms------------45度;


   1.5ms------------90度;


   2.0ms-----------135度;


   2.5ms-----------180度;




(1)舵机的追随特性


假设现在舵机稳定在A点,这时候CPU宣布一个PWM信号,舵机全速由A点转向B点,在这个过程中需求一段时刻,舵机才能运动到B点。



坚持时刻为Tw


当Tw≥△T时,舵机可以抵达方针,并有剩余时刻;


当Tw≤△T时,舵机不能抵达方针;


理论上:当Tw=△T时,体系连接,并且舵机运动的快。


实践过程中w不尽相同,连接运动时的极限△T比较难以核算出来。




当PWM信号以小改变量即(1DIV=8us)顺次改变时,舵机的分辨率高,可是速度会减慢。



二、舵机PWM信号介绍


1.PWM信号的界说 PWM 信号为脉宽调制信号,其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时刻宽度。详细的时刻宽窄协议参阅下列讲述。咱们现在运用的舵机主要依赖于模型职业的规范协议,随着机器人职业的逐渐独立,有些厂商已经推出全新的舵机协议,这些舵机只能应用于机器人职业,已经不可以应用于传统的模型上面了。现在 舵机可能是这个过渡时期的产物,它选用传统的 PWM 协议,优缺陷一目了然。长处是已经产业化,成本低,旋转角度大(现在所出产的都可抵达 185 度);缺陷是操控比较复杂,究竟选用 PWM 格局。可是它是一款数字型的舵机,其对 PWM 信号的要求较低:(1) 不用随时接收指令,减少 CPU 的疲惫程度;(2) 可以方位自锁、方位盯梢,这方面逾越了普通的步进电机;



其 PWM 格局注意的几个要点:(1) 上升沿少为 0.5mS,为 0.5mS---2.5mS 之间;(2) HG14-M 数字舵机下降沿时刻没要求,现在选用 0.5Ms 就行;也就是说 PWM 波形可所以一个周期 1mS 的规范方波;(3) HG0680 为塑料齿轮模拟舵机,其要求连续供应 PWM 信号;它也可以输入一个周期为 1mS 的规范方波,这时表现出来的跟随性能很好、很紧密。



2.PWM信号操控精度拟定


假如选用的是 8 位单片机AT89C52CPU,其数据分辨率为256,那么通过舵机极限参数试验,得到应该将其划分为 250 份。那么 0.5mS---2.5Ms 的宽度为 2mS = 2000uS。2000uS÷250=8uS,则:PWM 的操控精度为 8us。咱们可以以 8uS 为单位递增操控舵机滚动与定位。舵机可以滚动 185 度,那么185 度÷250=0.74 度,则:舵机的操控精度为 0.74 度。



1 DIV = 8us ; 250DIV=2ms时基寄存器内的数值为:(#01H)01 ----(#0FAH)250。共 185 度,分为 250 个方位,每个方位叫 1DIV。则:185÷250 = 0.74 度 / DIV PWM 上升沿函数:0.5ms + N×DIV 0us ≤ N×DIV ≤ 2ms 0.5ms ≤ 0.5ms+N×DIV ≤ 2.5ms.机器人舵机



二.单舵机拖动及调速算法


1.舵机为随动机构


(1)当其未转到方针方位时,将全速向方针方位滚动。


(2)当其抵达方针方位时,将自动坚持该方位。所以关于数字舵机而言,PWM 信号提供的是方针方位,盯梢运动要靠舵机自身。


(3)像 HG0680 这样的模拟舵机需求时刻供应 PWM 信号,舵机自己不能锁定方针方位。所以咱们的操控体系是一个方针规划体系。


(1)HG14-M舵机的方位操控办法 舵机的转角抵达 185 度,因为选用 8 为 CPU 操控,所以操控精度大为 256 份。现在通过实践测验和规划,分了 250 份。将 0—185°   分为 250 份,每份 0.74 度。操控所需的 PWM 宽度为 0.5ms—2.5ms,宽度 2ms。2ms÷250=8us;所以得出:PWM 信号 = 1 度/8us;



(2)舵机的运动协议



运动时可以外接较大的滚动负载,舵机输出扭矩较大,并且抗颤动性很好,电位器的线性度较高,抵达极限方位时也不会偏离方针。

舵机

2、方针规划体系的特征


(1)舵机的追随特性



① 舵机稳定在 A 点不动;② CPU 宣布 B 点方位坐标的 PWM 信号;③ 舵机全速由 A 点转向 B 点;△ф = фB - фA        △T = △ф÷ω ④ CPU 宣布 B 点 PWM 信号后,应该等候一段时刻,利用此时刻舵机才能滚动至 B 点。那么,详细的坚持(等候)时刻如何来核算,如下讲解:令:坚持时刻为 Tw 当 Tw≥△T 时,舵机可以抵达方针,并有剩余时刻;当 Tw≤△T 时,舵机不能抵达方针;理论上:当 Tw=△T 时,体系连接,并且舵机运动的快。实践过程中因为 2 个因素:① 1 个机器人身上有多个舵机,负载个不相同,所以ω不同;② 某个舵机在不同时刻的外界环境负载也不同,所以ω不同;则连接运动时的极限△T 难以核算出来。现在采纳的办法是经验选取ω值。



(2)舵机ω值测定 舵机的ω值随时改变,所以只能测定一个均匀值,或称呈现概率高的点。根据


① 厂商的经验值;② 选用 HG14-M 详细进行测验;测验试验:


① 将 CPU 开通,并开端延时 Tw;② 当延时 Tw抵达后,观察舵机是否抵达方针;测守时选用一段双摆程序,伴随示波器用肉眼观察 Tw与△T 的联系。(3)舵机ω值核算 一般舵机定为 0.16--0.22 秒/60 度;取 0.2 秒/60 度 >> 1.2 秒/360 度 >> 0.617 秒/185 度 则ω为 360 度/1.2 秒,2Π/1.2 秒 ω=300 度/秒 那么 185 度滚动的时刻为 185 度÷360 度/1.2 秒 = 0.6167 秒。(4)选用双摆试验验证



3.DAV的界说将 185 度的转角分为 250 个均匀小份。则:每小份为 0.74 度。界说如下:DAV = 0.74 度 因为:ω = 0.2 秒/60 度 则:运行 1 DAV 所需时刻为:0.72 度*0.2 秒/60 度 = 2.4 ms;



4.DIV的界说舵机电路支撑的 PWM 信号为 0.5ms—2.5ms,总距离为 2ms。若分为 250 小份,则 2ms÷250 = 0.008 ms = 8us。界说如下:DIV = 8us。



5.单舵机调速算法



测验内容:将后部下降沿的时刻拉至 30ms 没有问题,舵机照样作业。数字舵机


将后部下降沿的时刻拉至 10ms 没有问题,舵机照样作业。将后部下降沿的时刻拉至 2.6ms 没有问题,舵机照样作业。将后部下降沿的时刻拉至 500us 没有问题,舵机照样作业。实践检验出:下降沿时刻参数可以做的很小。现在试验降至 500uS,仍然作业正常。原因是:


(1)舵机电路自动检测上升沿,遇上升沿就触发,以此监测 PWM 脉宽“头”。(2)舵机电路自动检测下降沿,遇下降沿就触发,以此监测 PWM 脉宽“尾”。




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