Arduino - 伺服电机（ Servo Motor）

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2023-12-01

伺服电机是一种带有输出轴的小型设备。通过向伺服机构发送编码信号，可以将该轴定位到特定的角度位置。只要编码信号存在于输入线上，伺服就会保持轴的角位置。如果编码信号改变，则轴的角位置改变。在实践中，伺服系统用于无线电控制的飞机中以定位控制表面，如电梯和方向舵。它们还用于无线电遥控车，Puppet，当然还有机器人。

伺服系统在机器人技术中非常有用。电机体积小，内置控制电路，尺寸极其强大。诸如Futaba S-148之类的标准伺服系统具有42盎司/英寸的扭矩，其尺寸很大。它还消耗与机械负载成比例的功率。因此，轻载伺服系统不会消耗太多能量。

伺服电机的内径如下图所示。您可以看到控制电路，电机，一组齿轮和外壳。您还可以看到连接外部世界的3根电线。一个用于电源（+5伏），接地，白色线是控制线。

伺服电机的工作

伺服电机有一些控制电路和一个连接到输出轴的电位计（一个可变电阻，又称锅）。在上图中，可以在电路板的右侧看到电位器。该电位器允许控制电路监控伺服电机的当前角度。

如果轴处于正确角度，则电机关闭。如果电路发现角度不正确，它将转动电动机直到它达到所需的角度。伺服的输出轴能够在大约180度的范围内行进。通常，它在210度范围内，但是，它取决于制造商。普通伺服用于控制0到180度的角运动。由于主输出齿轮上的机械挡块，它在机械上不能再转动。

施加到电机的功率与其需要行进的距离成比例。因此，如果轴需要转动很长的距离，电机将全速运转。如果只需要少量转动，电机将以较慢的速度运转。这称为proportional control 。

你如何沟通伺服转动的角度？

控制线用于传达角度。该角度由施加到控制线的脉冲的持续时间确定。这称为Pulse Coded Modulation 。伺服器希望每20毫秒（0.02秒）看到一个脉冲。脉冲长度将决定电机转动的距离。例如，1.5毫秒的脉冲将使电机转到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，则轴转动接近180度。

组件的要求 (Components Required)

您将需要以下组件 -

1×Arduino UNO板
1×伺服电机
1×ULN2003驱动IC
1×10KΩ电阻器

过程 (Procedure)

按照电路图进行连接，如下图所示。

草图 (Sketch)

在您的计算机上打开Arduino IDE软件。用Arduino语言编码将控制你的电路。单击“新建”打开新的草图文件。

Arduino代码 (Arduino Code)

/* 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);
}

Code to Note

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上的5V引脚。接地线通常为黑色或棕色，应连接到ULN2003 IC（10-16）的一个端子。为了保护您的Arduino电路板免受损坏，您需要一些驱动器IC才能做到这一点。在这里，我们使用ULN2003 IC来驱动伺服电机。信号引脚通常为黄色或橙色，应连接到Arduino引脚编号9。

连接电位计

分压器/分压器是串联电路中的电阻器，其将输出电压缩放到所施加的输入电压的特定比率。以下是电路图 -

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

V _out是输出电位，取决于串联的输入电压（V _in ）和电阻（R ₁和R ₂ ）。这意味着流过R ₁的电流也将流过R ₂而不被分开。在上面的等式中，随着R ₂的值改变，V _out相对于输入电压V _in相应_地缩放。

通常，电位计是分压器，它可以根据可变电阻器的值来缩放电路的输出电压，可变电阻器的值使用旋钮进行缩放。它有三个引脚:GND，信号和+ 5V，如下图所示 -

结果 (Result)

通过改变锅的NOP位置，伺服电机将改变其角度。