STM32驱动舵机的工作原理、规格和选型分析

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最近几年，国内机器人开始起步发展，很多高校及中小学都开始进行机器人技术教学。小型的机器人、模块化的机器人、组件式的机器人是教学机器人的首选。在这些机器人产品中，舵机是十分关键，且使用较多的部件。

根据控制方式，舵机应该称为“微型伺服马达”。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称“舵机”。舵机接受一个简单的控制指令，就可以自动转动到一个比较精确的角度，所以非常适合在关节型机器人产品使用。

一、舵机的结构

简单来说，舵机就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元；能够利用简单的输入信号比较精确的转动，给定角度的电机系统。

舵机安装了一个电位器（或其它角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文：servo。

舵机的主体结构如图所示，主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。

简单的工作原理是：控制电路接收信号源的控制信号，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。

舵机的外壳一般是塑料的，特殊的舵机可能会有金属铝合金外壳。金属外壳能够提供更好的散热，可以让舵机里面的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。当然，金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。

舵机的齿轮箱有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差别。塑料齿轮成本低，噪音小，但强度较低；金属齿轮强度高，但成本高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。小扭矩舵机、微舵、扭矩大但功率密度小的舵机一般都用塑料齿轮，如Futaba3003，辉盛的9g微舵。

金属齿轮一般用于功率密度较高的舵机上，比如辉盛的MG995舵机，在和3003一样体积的情况下却能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用钛合金作为齿轮材料，其高强度能保证3003大小的舵机能提供20几公斤的扭矩。混合齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中，在电机输出减速箱扭矩不大的部位，用塑料齿轮。

二、舵机的规格和选型

1、舵机转速

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0.11s/60°-0.21s/60°之间。

2、舵机扭矩

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。

3、工作电压

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。比如，MG995在4.8V时速度为0.17秒，在6.0V时速度为0.13秒。

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。具体更加较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。此外，选择舵机还需要看我们的控制板所能提供的电压。

4、尺寸重量和材质

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，最后却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。

三、舵机的工作原理

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：

其工作原理是：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（遥控器的接收机或者单片机）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（对于180°舵机）。  

舵机的控制一般需要一个20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度舵机为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms--------------0度； 1.0ms------------45度； 1.5ms------------90度； 2.0ms-----------135度； 2.5ms-----------180度；

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°，这时候脉冲宽变一般只有1ms-2ms之间。比如你做一个遥控小车，用舵机控制方向，那么舵机转的角度肯定不是180度，因为你见过你开的车方向能转180度吗？

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°至90°之间，甚至还有-135°至135°之间，脉冲宽度也随之有了变化。对于机器人控制而言，我们一般通过单片机产生PWM信号控制舵机。

四、STM32控制舵机代码

0.5ms---------0度 0.6ms---------9度 0.7ms---------18度 0.8ms---------27度 0.9ms---------36度 1.0ms---------45度 1.1ms---------54度 1.2ms---------63度 1.3ms---------72度 1.4ms---------81度 1.5ms---------90度 1.6ms---------99度 1.7ms---------108度 1.8ms---------117度 1.9ms---------126度 2.0ms---------135度 2.1ms---------144度 2.2ms---------153度 2.3ms---------162度 2.4ms---------171度 2.5ms---------180度 |/ ---|---/ |/ |/ |/ -------------------------------------------------------------- 20ms的时基脉冲，如果想让舵机转63度，就应该发生一个高电平为1.2ms， 周期为20ms的方波，duty=1.2/20=6%,而定时器自动重装载寄存器arr的值 为1000，所以令duty=60，时占空比才为60/1000=6%. 20ms的时基脉冲，如果想让舵机转90度，就应该发生一个高电平为1.5ms， 周期为20ms的方波，duty=1.5/20=7.5%,而定时器自动重装载寄存器arr的值 为1000，所以令duty=75，时占空比才为75/1000=7.5%. 20ms的时基脉冲，如果想让舵机转126度，就应该发生一个高电平为1.9ms， 周期为20ms的方波，duty=1.9/20=9.5%,而定时器自动重装载寄存器arr的值 为1000，所以令duty=95，时占空比才为95/1000=9.5%. ----------------------------------------------------------------- voidSERVO_Init(void) { GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStruct; TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeStructure; TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//配置为复用推挽输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); TIM_TimeStructure.TIM_Period=1000;//1000自动重装载寄存器的值，周期为50000Hz/1000=50Hz，即输出PWM波形的频率为20ms。 TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=1440-1;;// 1400时钟预分频系数为3600，72 000000Hz/1400=50000Hz =50KHZ。 TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0; TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeStructure); TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);//使能ARR预装载寄存器(影子寄存器) TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=0;//占空比大小 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; TIM_OC2Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure); TIM_OC2PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable); TIM_Cmd(TIM3,ENABLE); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3,ENABLE); } //舵机角度控制 voidSERVO_Angle_Control(uint16_tCompare2) { TIM_SetCompare2(TIM3,Compare2);//设置通道2为可变的pwm } 配置号上面的程序，如果你想让舵机旋转90度，只需要在你程序的某个位置放上这句话就可以了。

SERVO_Angle_Control(75);//舵机旋转90度

原因就是20ms的时基脉冲，如果想让舵机转90度，就应该发生一个高电平为1.5ms，周期为20ms的方波，duty=1.5/20=7.5% ，而定时器自动重装载寄存器arr的值为 1000 ，所以令duty=75，时占空比才为75/1000=7.5%。

以此类推，你想让舵机转多大的角度按照这个方法设置就行了。

审核编辑：郭婷