舵機(jī)原理

舵機(jī)是一種高精度的位置伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)、無(wú)人機(jī)舵面控制、遙控模型、自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域。它能夠根據(jù)輸入信號(hào)精確控制輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度（通常在 0°-180° 范圍內(nèi)，部分型號(hào)可實(shí)現(xiàn) 360° 連續(xù)旋轉(zhuǎn)），并具備一定的輸出扭矩以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

一、舵機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

舵機(jī)的核心結(jié)構(gòu)由以下幾個(gè)關(guān)鍵部分組成，各部分協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)精確的角度控制：

1. 直流電動(dòng)機(jī)

提供基礎(chǔ)動(dòng)力，通過(guò)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)。

通常采用小型直流減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速較高但扭矩較小，需配合減速機(jī)構(gòu)提升扭矩。

2. 減速齒輪組

由多級(jí)齒輪組成，作用是降低電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、放大扭矩，使輸出軸能夠帶動(dòng)較大負(fù)載。

齒輪材質(zhì)影響舵機(jī)的耐用性，常見(jiàn)有塑料齒輪（低成本、輕量）和金屬齒輪（高扭矩、耐磨損）。

3. 位置反饋裝置（電位器）

與輸出軸機(jī)械連接，當(dāng)輸出軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，電位器的電阻值發(fā)生變化，將機(jī)械角度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（電壓）反饋給控制電路。

是實(shí)現(xiàn) “閉環(huán)控制” 的核心部件，用于檢測(cè)輸出軸的實(shí)際位置。

4. 控制電路

接收外部輸入的控制信號(hào)（PWM 信號(hào)），并與電位器反饋的位置信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)偏差控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，直至輸出軸達(dá)到目標(biāo)角度。

二、工作原理：PWM 信號(hào)控制與閉環(huán)反饋

1. 控制信號(hào)：PWM（脈沖寬度調(diào)制）

舵機(jī)通過(guò)接收PWM 信號(hào)來(lái)確定目標(biāo)角度，標(biāo)準(zhǔn) PWM 信號(hào)的參數(shù)為：

周期固定：20ms（即頻率 50Hz）。

脈沖寬度：決定目標(biāo)角度，范圍通常為 0.5ms - 2.5ms。

0.5ms：對(duì)應(yīng) 0°（最小角度）。

1.5ms：對(duì)應(yīng) 90°（中間角度）。

2.5ms：對(duì)應(yīng) 180°（最大角度）。

（不同型號(hào)舵機(jī)的脈沖寬度范圍可能略有差異，需參考具體規(guī)格）。

2. 閉環(huán)控制過(guò)程

信號(hào)輸入：控制電路接收外部 PWM 信號(hào)，解析出目標(biāo)角度對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。

位置檢測(cè)：電位器實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出軸的當(dāng)前角度，并將其轉(zhuǎn)化為反饋電壓信號(hào)。

偏差對(duì)比：控制電路將目標(biāo)角度信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算角度偏差。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)：

若當(dāng)前角度 < 目標(biāo)角度：控制電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，輸出軸向目標(biāo)角度旋轉(zhuǎn)。

若當(dāng)前角度 > 目標(biāo)角度：控制電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，輸出軸向目標(biāo)角度旋轉(zhuǎn)。

若當(dāng)前角度 = 目標(biāo)角度：偏差為零，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸保持在目標(biāo)角度。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定：當(dāng)負(fù)載或外力導(dǎo)致輸出軸偏離目標(biāo)角度時(shí)，反饋系統(tǒng)會(huì)立即檢測(cè)到偏差，控制電機(jī)修正位置，實(shí)現(xiàn)角度的穩(wěn)定保持。

三、舵機(jī)的分類(lèi)與特點(diǎn)

根據(jù)功能和應(yīng)用場(chǎng)景，舵機(jī)可分為以下幾類(lèi)：

四、舵機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)

選擇舵機(jī)時(shí)需關(guān)注以下核心參數(shù)：

扭矩：舵機(jī)輸出軸能帶動(dòng)的最大負(fù)載能力（單位：kg?cm 或 N?m），扭矩越大，負(fù)載能力越強(qiáng)。

響應(yīng)速度：從 0° 轉(zhuǎn)到 90° 所需的時(shí)間（單位：秒），時(shí)間越短，響應(yīng)越快。

工作電壓：通常為 4.8V-6V（部分高壓舵機(jī)支持更高電壓），電壓影響扭矩和速度。

角度范圍：默認(rèn) 0°-180°（連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)無(wú)范圍限制）。

尺寸與重量：根據(jù)安裝空間和設(shè)備負(fù)載要求選擇。

五、應(yīng)用領(lǐng)域

舵機(jī)憑借高精度、易控制、輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：

機(jī)器人技術(shù)：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械臂控制、行走機(jī)器人腿部驅(qū)動(dòng)。

遙控模型：航模（飛機(jī)襟翼、尾翼）、車(chē)模（轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)）、船模（方向舵）。

自動(dòng)化設(shè)備：閥門(mén)控制、精密定位裝置、小型傳送帶轉(zhuǎn)向。

智能家居：攝像頭云臺(tái)、窗簾電機(jī)、智能門(mén)鎖傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

總結(jié)

舵機(jī)的核心原理是通過(guò)PWM 信號(hào)解析目標(biāo)角度，結(jié)合電位器反饋當(dāng)前位置，通過(guò)閉環(huán)控制電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)修正偏差，最終實(shí)現(xiàn)輸出軸的精確角度控制。其結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單、精度可靠，使其成為需要高精度位置控制場(chǎng)景的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)負(fù)載、響應(yīng)速度和安裝空間等需求選擇合適類(lèi)型的舵機(jī)，并確保 PWM 信號(hào)參數(shù)與舵機(jī)規(guī)格匹配。

審核編輯 黃宇