舵機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電壓之間有何關(guān)系？

舵機(jī)的性能

舵機(jī)[1] 在自動(dòng)控制場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。舵機(jī)的輸出力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、命令更新頻率等標(biāo)準(zhǔn)了舵機(jī)的工作性能。在全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽中 ，大多數(shù)車(chē)模作品的方向控制都使用了舵機(jī)控制。在賽道上運(yùn)行的車(chē)模速度，在 控制參數(shù)設(shè)置 合理的情況下，最高速度取決于舵機(jī)的響應(yīng)速度。

通常，舵機(jī)的運(yùn)行取決于 舵機(jī)特有的脈沖指令高電平時(shí)間寬度[2] ，而與脈沖指令的頻率無(wú)關(guān)。所以控制舵機(jī)的脈沖波形與控制電機(jī)運(yùn)行的 PWM 波形的作用是不同的。

舵機(jī)內(nèi)部具有驅(qū)動(dòng)電路板，保證輸出角度與脈沖指令的寬度之間呈現(xiàn)比例關(guān)系。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角速度則取決于舵機(jī)本身內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)的性能、工作電壓等各種因素。

▲ 舵機(jī)指令與舵機(jī)轉(zhuǎn)軸位置

由于舵機(jī)的轉(zhuǎn)速與指令無(wú)關(guān)，所以從本質(zhì)上講， 舵機(jī)不是一個(gè)線性模型[3] 。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，它的動(dòng)態(tài)非線性就越明顯。

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01、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與工作電壓

舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，在智能車(chē)競(jìng)賽中車(chē)模控制性能就會(huì)越好。正好手邊測(cè)試了一個(gè) 角度編碼器 ST-3806-15-RS[4] ，它有每周 15bit 的角度分辨率。這款角度編碼器用于一款 雙軸機(jī)械臂 的控制中。現(xiàn)在正好可以用它來(lái)測(cè)試舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、角速度。依次來(lái)分析舵機(jī)工作電壓與執(zhí)行速度之間的關(guān)系。

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1. 測(cè)量方法

選擇 S-D5 舵機(jī)，使用橡膠套管將舵機(jī)輸出軸與角度編碼器連接在一起。使用機(jī)械平臺(tái)將它們固定、共軸。使用 角度編碼器 ST-3806-15-RS[4] 測(cè)試電路模塊來(lái)讀取角度傳感器的數(shù)值，控制多級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

▲ 使用角度傳感器測(cè)量舵機(jī)旋轉(zhuǎn)速度

給定舵機(jī)脈沖指令，從 1000us 突變到 2000us。舵機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 60°。在這個(gè)過(guò)程中，采集角度的速率為 3ms，讀取 200 個(gè)。得到的角度曲線如下：

取角度上升線性部分（距離最下，最上各 5%的余量），進(jìn)行線性擬合。再計(jì)算擬合直線與最小角度、最大角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間交點(diǎn)。使用這個(gè)交點(diǎn)之間的時(shí)間差作為舵機(jī)的執(zhí)行時(shí)間。執(zhí)行時(shí)間的倒數(shù)可以反映舵機(jī)輸出角速度。

▲ 測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度曲線對(duì)應(yīng)執(zhí)行時(shí)間

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2. 測(cè)量數(shù)據(jù)

下面使用數(shù)控直流電源調(diào)節(jié)舵機(jī)工作電壓，從 4.0V ~ 6V，分成 20 個(gè)工作電壓點(diǎn)。在每個(gè)工作電壓點(diǎn)，測(cè)量舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線，使用上面的方法，獲得舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

▲ 隨著工作電壓的增加，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的曲線的變化

下圖給出了舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間與工作電壓測(cè)量的數(shù)據(jù)曲線。工作電壓越高，舵機(jī)執(zhí)行時(shí)間就越短。

▲ 工作電壓與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系

將上述時(shí)間取倒數(shù)（1000/time(ms)），可以獲得下面的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)速度與工作電壓之間的關(guān)系。大體可以看到舵機(jī)執(zhí)行速度與工作電壓成正比。

▲ 工作電壓與舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間的關(guān)系

02 分析結(jié)論

通過(guò)前面的分析可以看出：

為了提高多級(jí)的執(zhí)行速度，可以在舵機(jī)允許的工作電壓范圍內(nèi)盡可能提高舵機(jī)的工作電壓；為了避免高的工作電壓對(duì)舵機(jī)內(nèi)部的電路過(guò)壓的影響，需要在舵機(jī)工作電源進(jìn)行必要的限幅和穩(wěn)壓。在舵機(jī)工作過(guò)程中，如果頻繁的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要考慮到舵機(jī)散熱；

▲ 舵機(jī)指令在 1000us 在 2000us 之間切換變化

此外，還可以通過(guò)在舵機(jī)輸出軸，增加執(zhí)行懸臂的長(zhǎng)度，來(lái)通過(guò)機(jī)械放大提高舵機(jī)控制車(chē)模前輪轉(zhuǎn)向的速度。

參考資料[1]

舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108363726

[2]舵機(jī)特有的脈沖指令高電平時(shí)間寬度: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108419980

[3]舵機(jī)不是一個(gè)線性模型: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105701378

[4]角度編碼器 ST-3806-15-RS: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108563292