舵机的执行原理

舵机原理

舵机是一种高精度的位置伺服执行机构，广泛应用于机器人关节、无人机舵面控制、遥控模型、自动化设备等领域。它能够根据输入信号精确控制输出轴的旋转角度（通常在 0°-180° 范围内，部分型号可实现 360° 连续旋转），并具备一定的输出扭矩以驱动负载。

一、舵机的基本结构

舵机的核心结构由以下几个关键部分组成，各部分协同工作实现精确的角度控制：

1. 直流电动机

提供基础动力，通过齿轮减速后驱动输出轴旋转。

通常采用小型直流减速电机，转速较高但扭矩较小，需配合减速机构提升扭矩。

2. 减速齿轮组

由多级齿轮组成，作用是降低电动机的输出转速、放大扭矩，使输出轴能够带动较大负载。

齿轮材质影响舵机的耐用性，常见有塑料齿轮（低成本、轻量）和金属齿轮（高扭矩、耐磨损）。

3. 位置反馈装置（电位器）

与输出轴机械连接，当输出轴旋转时，电位器的电阻值发生变化，将机械角度转化为电信号（电压）反馈给控制电路。

是实现 “闭环控制” 的核心部件，用于检测输出轴的实际位置。

4. 控制电路

接收外部输入的控制信号（PWM 信号），并与电位器反馈的位置信号进行对比。

根据偏差控制电动机正转、反转或停止，直至输出轴达到目标角度。

二、工作原理：PWM 信号控制与闭环反馈

1. 控制信号：PWM（脉冲宽度调制）

舵机通过接收PWM 信号来确定目标角度，标准 PWM 信号的参数为：

周期固定：20ms（即频率 50Hz）。

脉冲宽度：决定目标角度，范围通常为 0.5ms - 2.5ms。

0.5ms：对应 0°（最小角度）。

1.5ms：对应 90°（中间角度）。

2.5ms：对应 180°（最大角度）。

（不同型号舵机的脉冲宽度范围可能略有差异，需参考具体规格）。

2. 闭环控制过程

信号输入：控制电路接收外部 PWM 信号，解析出目标角度对应的脉冲宽度。

位置检测：电位器实时检测输出轴的当前角度，并将其转化为反馈电压信号。

偏差对比：控制电路将目标角度信号与反馈信号进行比较，计算角度偏差。

电机驱动：

若当前角度 < 目标角度：控制电路驱动电动机正转，输出轴向目标角度旋转。

若当前角度 > 目标角度：控制电路驱动电动机反转，输出轴向目标角度旋转。

若当前角度 = 目标角度：偏差为零，电动机停止转动，输出轴保持在目标角度。

动态稳定：当负载或外力导致输出轴偏离目标角度时，反馈系统会立即检测到偏差，控制电机修正位置，实现角度的稳定保持。

三、舵机的分类与特点

根据功能和应用场景，舵机可分为以下几类：

类型	特点	应用场景
标准舵机	角度范围 0°-180°，响应速度中等，扭矩适中。	机器人关节、模型舵面控制
连续旋转舵机	无角度限制（360° 连续旋转），通过 PWM 信号控制转速和方向（类似电机调速）。	需要连续转动的机械结构
高压舵机	工作电压较高（如 6V-12V），输出扭矩大，响应速度快。	大负载设备、工业自动化
微型舵机	体积小、重量轻，扭矩较小。	小型机器人、精密模型

四、舵机的关键参数

选择舵机时需关注以下核心参数：

扭矩：舵机输出轴能带动的最大负载能力（单位：kg・cm 或 N・m），扭矩越大，负载能力越强。

响应速度：从 0° 转到 90° 所需的时间（单位：秒），时间越短，响应越快。

工作电压：通常为 4.8V-6V（部分高压舵机支持更高电压），电压影响扭矩和速度。

角度范围：默认 0°-180°（连续旋转舵机无范围限制）。

尺寸与重量：根据安装空间和设备负载要求选择。

五、应用领域

舵机凭借高精度、易控制、输出稳定的特点，在多个领域发挥重要作用：

机器人技术：关节转动、机械臂控制、行走机器人腿部驱动。

遥控模型：航模（飞机襟翼、尾翼）、车模（转向机构）、船模（方向舵）。

自动化设备：阀门控制、精密定位装置、小型传送带转向。

智能家居：摄像头云台、窗帘电机、智能门锁传动机构。

总结

舵机的核心原理是通过PWM 信号解析目标角度，结合电位器反馈当前位置，通过闭环控制电路驱动电机修正偏差，最终实现输出轴的精确角度控制。其结构紧凑、控制简单、精度可靠，使其成为需要高精度位置控制场景的理想选择。在实际应用中，需根据负载、响应速度和安装空间等需求选择合适类型的舵机，并确保 PWM 信号参数与舵机规格匹配。

审核编辑 黄宇