Arduino - 伺服电机

伺服电机是一种小型设备，带有一个输出轴。通过发送编码信号给伺服电机，可以将此轴定位到特定的角度位置。只要编码信号存在于输入线上，伺服电机就会保持轴的角度位置。如果编码信号改变，轴的角度位置也会改变。实际上，伺服电机用于遥控飞机来定位控制面，例如升降舵和方向舵。它们也用于遥控汽车、木偶和机器人。

伺服电机在机器人技术中非常有用。这些电机体积小巧，具有内置控制电路，并且功率强大。标准伺服电机，例如 Futaba S-148，具有 42 oz/英寸的扭矩，对于其尺寸而言非常强大。它还按机械负载的比例消耗功率。因此，轻载伺服电机不会消耗太多能量。

下图显示了伺服电机的内部结构。您可以看到控制电路、电机、一组齿轮和外壳。您还可以看到连接到外部世界的 3 根线。一根用于电源（+5 伏），一根用于接地，白色线是控制线。

伺服电机的运行原理

伺服电机有一些控制电路和一个电位器（一个可变电阻器，又称电位器）连接到输出轴。在上图中，电位器位于电路板的右侧。此电位器允许控制电路监控伺服电机的当前角度。

如果轴处于正确的角度，则电机将关闭。如果电路发现角度不正确，它将转动电机，直到达到所需的角度。伺服电机的输出轴能够旋转大约 180 度。通常在 210 度左右，但是这取决于制造商。普通伺服电机用于控制 0 到 180 度的角度运动。由于主输出齿轮上安装的机械止动器，它在机械上无法进一步旋转。

施加到电机的功率与其需要移动的距离成正比。因此，如果轴需要旋转很大的距离，电机将以全速运行。如果它只需要旋转少量，电机将以较慢的速度运行。这称为**比例控制**。

如何告知伺服电机旋转的角度？

控制线用于通信角度。角度由施加到控制线的脉冲持续时间决定。这称为**脉冲编码调制**。伺服电机期望每 20 毫秒（0.02 秒）看到一个脉冲。脉冲的长度将决定电机旋转的距离。例如，1.5 毫秒的脉冲将使电机旋转到 90 度位置（通常称为中性位置）。如果脉冲短于 1.5 毫秒，则电机将使轴更接近 0 度。如果脉冲长于 1.5 毫秒，则轴将更接近 180 度。

所需组件

您将需要以下组件：

1 个 Arduino UNO 开发板
1 个伺服电机
1 个 ULN2003 驱动 IC
1 个 10 KΩ 电阻

步骤

按照电路图，按照下图所示进行连接。

草图

在您的计算机上打开 Arduino IDE 软件。使用 Arduino 语言进行编码将控制您的电路。通过单击“新建”打开一个新的草图文件。

Arduino 代码

/* Controlling a servo position using a potentiometer (variable resistor) */

#include <Servo.h>
   Servo myservo; // create servo object to control a servo
   int potpin = 0; // analog pin used to connect the potentiometer
   int val; // variable to read the value from the analog pin

void setup() {
   myservo.attach(9); // attaches the servo on pin 9 to the servo object
}

void loop() {
   val = analogRead(potpin);
   // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023)
   val = map(val, 0, 1023, 0, 180);
   // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180)
   myservo.write(val); // sets the servo position according to the scaled value
   delay(15);
}

代码说明

伺服电机有三个端子 - 电源、接地和信号。电源线通常为红色，应连接到 Arduino 的 5V 引脚。接地线通常为黑色或棕色，应连接到 ULN2003 IC 的一个端子 (10-16)。为了保护您的 Arduino 开发板免受损坏，您需要一些驱动 IC 来完成此操作。这里我们使用 ULN2003 IC 来驱动伺服电机。信号线通常为黄色或橙色，应连接到 Arduino 的 9 号引脚。

连接电位器

分压器是串联电路中的电阻，它将输出电压按比例缩放为施加的输入电压的特定比例。以下是电路图：

$$V_{out} = (V_{in} \times R_{2})/ (R_{1} + R_{2})$$

V_out 是输出电压，它取决于施加的输入电压 (V_in) 和串联电阻 (R₁ 和 R₂)。这意味着流过 R₁ 的电流也会流过 R₂，不会被分割。在上式中，随着 R₂ 值的变化，V_out 将根据输入电压 V_in 缩放。

通常，电位器是一个分压器，它可以根据可变电阻的值缩放电路的输出电压，该可变电阻使用旋钮进行缩放。它有三个引脚：GND、信号和 +5V，如下图所示：

结果

通过改变电位器的旋钮位置，伺服电机将改变其角度。

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