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目錄
一、舵機的結構
二、舵機的規格和選型
三、模拟舵機及其控制原理
四、數字舵機及其控制原理
五、總線伺服舵機
一、舵機的結構
舵機簡單的說就是內建了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼裡的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信号比較精确的轉動給定角度的電機系統。
舵機安裝了一個電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉動角度，控制闆根據電位器的資訊能比較精确的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機控制方式叫閉環控制，是以舵機更準确的說是伺服馬達，英文servo。
舵機的主體結構如下圖所示，主要有幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。簡單的工作原理是控制電路接收信号源的控制信号，并驅動電機轉動；齒輪組将電機的速度成大倍數縮小，并将電機的輸出扭矩放大響應倍數，然後輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路闆檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然後控制舵機轉動到目标角度或保持在目标角度。
舵機的結構
舵機的外殼一般是塑膠的，特殊的舵機可能會有金屬鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機内的電機運作在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。金屬外殼也可以提供更牢固的固定位置。
舵機金屬外殼
齒輪箱有塑膠齒輪、混合齒輪、金屬齒輪的差别。塑膠齒輪成本底，噪音小，但強度較低；金屬齒輪強度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會有很大的噪音。小扭矩舵機、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機一般都用塑膠齒輪，如Futaba 3003，輝盛的9g微舵。金屬齒輪一般用于功率密度較高的舵機上，比如輝盛的995舵機，在和3003一樣體積的情況下卻能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用钛合金作為齒輪材料，其高強度能保證3003大小的舵機能提供20幾公斤的扭矩。混合齒輪在金屬齒輪和塑膠齒輪間做了折中，在電機輸出齒輪上扭矩一般不大，用塑膠齒輪。
舵機此輪箱
二、舵機的規格和選型
舵機的規格主要有幾個方面：轉速、轉矩、電壓、尺寸、重量、材料等。我們在做舵機的選型時要對以上幾個方面進行綜合考慮。
- 轉速
轉速由舵機無負載的情況下轉過60°角所需時間來衡量，常見舵機的速度一般在0.11/60°~0.21S/60°之間。
舵機
- 轉矩
舵機扭矩的機關是KG·CM，這是一個扭矩機關。可以了解為在舵盤上距舵機軸中心水準距離1CM處，舵機能夠帶動的物體重量。
轉矩
- 電壓
廠商提供的速度、轉矩資料和測試電壓有關，在4.8V和6V兩種測試電壓下這兩個參數有比較大的差别。如Futaba S-9001 在 4.8V 時扭力為 3.9kg、速度為 0.22 秒，在 6.0V 時扭力為 5.2kg、速度為 0.18 秒。若無特别注明，JR 的舵機都是以 4.8V 為測試電壓，Futaba則是以 6.0V 作為測試電壓。
舵機的工作電壓對性能有重大的影響，舵機推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當然，有的舵機可以在7V以上工作，比如12V的舵機也不少。較高的電壓可以提高電機的速度和扭矩。選擇舵機還需要看我們的控制卡所能提供的電壓。
- 尺寸、重量和材質
舵機的功率（速度×轉矩）和舵機的尺寸比值可以了解為該舵機的功率密度，一般同樣品牌的舵機，功率密度大的價格高。
塑膠齒輪的舵機在超出極限負荷的條件下使用可能會崩齒，金屬齒輪的舵機則可能會電機過熱損毀或外殼變形。是以材質的選擇并沒有絕對的傾向，關鍵是将舵機使用在設計規格之内。
使用者一般都對金屬制的物品比較信賴，齒輪箱期望選擇全金屬的，舵盤期望選擇金屬舵盤。但需要注意的是，金屬齒輪箱在長時間過載下也不會損毀，最後确是電機過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是緻命的，不可修複的。塑膠出軸的舵機如果使用金屬舵盤是很危險的，舵盤和舵機軸在互相扭轉過程中，金屬舵盤不會磨損，舵機軸會在一段時間後變得光秃，導緻舵機完全不能使用。
綜上，選擇舵機需要在計算自己所需扭矩和速度，并确定使用電壓的條件下，選擇有150%左右甚至更大扭矩富餘的舵機。
三、模拟舵機及其控制原理
舵機是一個微型的伺服控制系統，具體的控制原理可以用下圖表示：
舵機控制原理
工作原理是控制電路接收信号源的控制脈沖，并驅動電機轉動；齒輪組将電機的速度成大倍數縮小，并将電機的輸出扭矩放大響應倍數，然後輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路闆檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然後控制舵機轉動到目标角度或保持在目标角度。
模拟舵機需要一個外部控制器（遙控器的接收機）産生脈寬調制信号來告訴舵機轉動角度，脈沖寬度是舵機控制器所需的編碼資訊。舵機的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分别對應-90度到+90度的位置。如下圖所示：
舵機控制信号
需要解釋的是舵機原來主要用在飛機、汽車、船隻模型上，作為方向舵的調節和控制裝置。是以，一般的轉動範圍是45°、60°或者90°，這時候脈沖寬度一般隻有1ms-2ms之間。而後舵機開始在機器人上得到大幅度的運用，轉動的角度也在根據機器人關節的需要增加到-90度至90度之間，脈沖寬度也随之有了變化。
對與模型遙控器，發射機到接收機之間的信号編碼方式是PPM（也有PCM）方式，當然，這個信号的編碼傳輸過程不是接收機到舵機之間，切不可混淆。對于PPM、PCM在調制信号上面的差別可以看《現代無線通訊》。
PPM
我們在網上可以很容易找到Futaba 3003的電路圖。PWM由接收通道進入信号解調電路BA6688的12腳，這是周期20ms，脈寬0.5ms-2.5ms之間的PWM信号。該PWM信号和内部以5K電位器實際電壓為基準的脈沖進行比較，得到的脈沖進行展寬後給H橋，H橋根據展寬後的脈沖信号驅動電機。解調後的直流偏置電壓和通過電位器得到回報電壓進行比較得到電壓差，BA66898根據該電壓差通過3腳輸送的PWM信号給電機驅動電路BAL6686驅動電機正反轉，同時電機轉動帶動電位器轉動，導緻比較後的電壓差變化，直到電壓差為0，電機停止。
舵機電路
四、數字舵機及其控制原理
數字舵機從根本上颠覆了舵機的控制系統設計。數字和模拟舵機相比在兩個方面有明顯的優點。1、防抖。2、響應速度快。
模拟舵機由于使用模拟器件搭建的控制電路，電路的回報和位置伺服是基于電位器的比例調節方式。電位器由于線性度的影響，精度的影響，個體差異性的問題，會導緻控制比對不了比例電壓，比如我期望得到2.5V的電壓位置，但第一次得到的是2.3V，經過1個調節周期後，電位器轉過的位置已經是2.6V了，這樣控制電路就會給電機一個方向脈沖調節，電機往回轉，又轉過頭，然後有向前調節，以至于出現不停的震蕩，這就是我們所看到的抖舵現象。我們購買一批舵機會發現有的很好用，有的在空載的時候也會在抖動，有的是在加一定的負載後就開始抖動。
我們不用裝出機器人就可以預期一個事實，不停抖動的舵機裝出來的仿人機器人是不可能走的很好的，用不停抖動的舵機裝出來的機械臂是不可能寫字的。可惜的是，現在的數字舵機還是很貴的，更别提用伺服直流電機+伺服驅動器+運動控制卡搭建的機器人系統了。
模拟舵機的調節周期是20ms，也就是它的反應時間是20ms。根據舵機的不同，假設我們估計舵機的速度是0.2s/60°，那麼20ms舵機最快的時候轉過0.6度才會進行調節，這就是關節在突然出現大負載的情況下，會被扭矩擺動0.6度，然後才糾正回來，我們的直覺感覺就是這個舵機不“硬”我們掰動舵盤，可以掰動一個位置。
數字舵機可以以很高的頻率進行調節，這個周期和角度會變得非常小，并且有PID調節方式的存在，能夠在以很适當的PID參數進行調節，能夠讓舵機有很高的響應速度，不會出現超調。
五、總線伺服舵機
總線伺服舵機簡單的說就是可以串聯，并且接受資料信号，能夠提供關節的力矩、電流、溫度、角度等資訊，能準确控制位置的運動單元，外形可以和舵機一模一樣。我們用一個帶序列槽給總線發送一條指令：舵機1，轉20度；舵機2轉30度，舵機3休息……直到理論上最後一個舵機。然後所有的舵機就會執行這條指令