【雕爷学编程】Arduino动手做（164）---Futaba S3003舵机模块
雕爷学编程,Arduino动手做,开源硬件,创客传感器,Futaba S3003舵机模块
37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百六十四：Futaba S3003舵机 180度3.5KG车船模型38克 机器人摄像头云台
知识点：舵机是什么？
伺服电机通常被称为舵机，它是一种带有输出轴的小装置。当我们向伺服器发送一个控制信号时，输出轴就可以转到特定的位置。只要控制信号持续不变，伺服机构就会保持轴的角度位置不改变。如果控制信号发生变化，输出轴的位置也会相应发生变化。
舵机是一种位置伺服的驱动器，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。一般舵机旋转的角度范围是0 度到180 度。
日常生活中，舵机常被用于遥控飞机、遥控汽车、机器人等领域。舵机在机器人领域非常有用。因为舵机有内置的控制电路，它们的尺寸虽然很小，但输出力够大。像Futaba S-148这样的标准舵机能提供 0.3牛/米的扭矩，相对于它的外形大小来说这已经足够强大了。同时，舵机消耗的能量与机械负荷成正比。因此，一个轻载的舵机系统不会消耗太多的能量。
舵机的内部结构
工作原理
舵机安装了一个电位器（或其它角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文 servo.舵机组成： 舵盘、 减速齿轮、 位置反馈电位计、直流电机、 控制电路板等。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘 转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。
舵机的闭环检测机制
关于舵机的精准位置控制，存在以下如下图的闭环控制机制。即：位置检测器（角度传感器）是它的输入传感器，舵机转动的位置变化，位置检测器的电阻值就会跟着变化。通过控制电路读取该电阻值的大小，就能根据阻值适当调整电机的速度和方向，使电机向指定角度旋转。从而实现了舵机的精确转动的控制。
舵机的控制信号
为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。
PWM信号和舵机转动角度的关系
说到舵机的控制信号，一般是脉宽调制（PWM）信号，如下图，直观反映了PWM信号和舵机转动角度的关系，你也可以简单的理解为，通过给舵机通电的时间控制，结合角度传感器的反馈信号检测和控制，实现了舵机的精确角度控制。舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制信号（PWM），其中脉宽从0.5ms-2.5ms，相应的舵盘位置从0-180度，呈线型变化。也就是说，给舵机提供一定的脉宽，他的输出轴就会保持一定的对应角度，无论外接转矩怎么改变，知道给他提供另外一个脉冲信号，他才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度为1.5MS的脉冲信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比喻说机器人的关节、飞机的多面等。
Futaba S3003舵机模块参考电原理图
Futaba S3003舵机模块功能特性
体积小，重量轻；
采用防反插接口；
具有反接保护，电源反接不会损坏IC；
支持Arduino IDE编程, 并且提供运行库来简化编程；
支持图形可视化与仿真编程，适合全年龄用户。
Futaba S3003舵机模块引脚定义
舵机接线方法（三线接线法）
（1）黑线（地线）
红线（电源线）两个标准：4.8V和6V蓝线/黄线（信号线）
（2）棕线（地线）
红线（电源线）两个标准：4.8V和黄线（信号线）
Arduino实验接线示意图
用于控制伺服电机的Arduino代码非常简单。只需要定义伺服连接到的引脚，将该引脚定义为输出，然后在循环部分中生成具有特定持续时间和频率的脉冲。
项目：简单控制Futaba S3003舵机
Arduino实验开源代码
Arduino实验场景图
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
项目：测试舵机步进转动
Arduino实验开源代码
/*
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百六十四：Futaba S3003舵机 180度3.5KG车船模型38克 机器人摄像头云台
项目：测试舵机步进转动
*/
#include <Servo.h> // 声明调用Servo.h库
Servo myservo; // 创建一个舵机对象
int pos = 0; // 变量pos用来存储舵机位置
void setup() {
myservo.attach(9); // 将引脚9上的舵机与声明的舵机对象连接起来
}
void loop() {
for(pos = 0; pos < 180; pos += 1){ // 舵机从0°转到180°，每次增加1°
myservo.write(pos); // 给舵机写入角度
delay(15); // 延时15ms让舵机转到指定位置
}
for(pos = 180; pos>=1; pos-=1) { // 舵机从180°转回到0°，每次减小1°
myservo.write(pos); // 写角度到舵机
delay(15); // 延时15ms让舵机转到指定位置
}
}
Arduino实验场景图
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百六十四：Futaba S3003舵机 180度3.5KG车船模型38克 机器人摄像头云台
项目：最简单的伺服电机程序
Arduino实验开源代码
/*
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百六十四：Futaba S3003舵机 180度3.5KG车船模型38克 机器人摄像头云台
项目：最简单的伺服电机程序
*/
#include <Servo.h>
Servo myservo;
void setup()
{
myservo.attach(9);
}
void loop()
{ myservo.write(0);
delay(1000);
myservo.write(90);
delay(1000);
myservo.write(180);
delay(1000);
}
