舵機轉(zhuǎn)速與工作電壓之間有何關(guān)系？

舵機的性能

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

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

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

▲ 舵機指令與舵機轉(zhuǎn)軸位置

由于舵機的轉(zhuǎn)速與指令無關(guān)，所以從本質(zhì)上講， 舵機不是一個線性模型[3] 。當(dāng)舵機轉(zhuǎn)動角度越大，它的動態(tài)非線性就越明顯。

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01、舵機轉(zhuǎn)動速度與工作電壓

舵機的轉(zhuǎn)動速度越快，在智能車競賽中車?？刂菩阅芫蜁胶?。正好手邊測試了一個 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 雙軸機械臂 的控制中。現(xiàn)在正好可以用它來測試舵機轉(zhuǎn)動的角度、角速度。依次來分析舵機工作電壓與執(zhí)行速度之間的關(guān)系。

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1. 測量方法

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

▲ 使用角度傳感器測量舵機旋轉(zhuǎn)速度

給定舵機脈沖指令，從 1000us 突變到 2000us。舵機順時針旋轉(zhuǎn) 60°。在這個過程中，采集角度的速率為 3ms，讀取 200 個。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），進行線性擬合。再計算擬合直線與最小角度、最大角度對應(yīng)的時間交點。使用這個交點之間的時間差作為舵機的執(zhí)行時間。執(zhí)行時間的倒數(shù)可以反映舵機輸出角速度。

▲ 測量旋轉(zhuǎn)角度曲線對應(yīng)執(zhí)行時間

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2. 測量數(shù)據(jù)

下面使用數(shù)控直流電源調(diào)節(jié)舵機工作電壓，從 4.0V ~ 6V，分成 20 個工作電壓點。在每個工作電壓點，測量舵機的轉(zhuǎn)動曲線，使用上面的方法，獲得舵機的轉(zhuǎn)動時間。

▲ 隨著工作電壓的增加，舵機轉(zhuǎn)動角度的曲線的變化

下圖給出了舵機轉(zhuǎn)動時間與工作電壓測量的數(shù)據(jù)曲線。工作電壓越高，舵機執(zhí)行時間就越短。

▲ 工作電壓與轉(zhuǎn)動時間之間的關(guān)系

將上述時間取倒數(shù)（1000/time(ms)），可以獲得下面的舵機轉(zhuǎn)動相對速度與工作電壓之間的關(guān)系。大體可以看到舵機執(zhí)行速度與工作電壓成正比。

▲ 工作電壓與舵機轉(zhuǎn)動速度之間的關(guān)系

02 分析結(jié)論

通過前面的分析可以看出：

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

▲ 舵機指令在 1000us 在 2000us 之間切換變化

此外，還可以通過在舵機輸出軸，增加執(zhí)行懸臂的長度，來通過機械放大提高舵機控制車模前輪轉(zhuǎn)向的速度。

參考資料[1]

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

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

[3]舵機不是一個線性模型: 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