舵机基础知识
最近几年½内机器人开始起步发展，很多高校、中小学½开始进行机器人技术教学。小
型的机器人、
模块化的机器人、
组件式的机器人是教学机器人的首选。
在这些机器人产品中，
舵机是最关键，½用最多的部件。
根据控制方式，舵机应该称为微型伺服马达。早期在模型上½用最多，主要用于控制模
型的舵面，
所以俗称舵机。
舵机接受一个简单的控制指令就可以自动½动到一个比较精确的
角度，所以非常适合在关节型机器人产品½用。仿人型机器人就是舵机运用的最高境界。
一、 舵机的结构
舵机简单的说就是集成了直流电机、
电机控制器和减速器等，
并封装在一个便于安装的
外壳里的伺服单元。½够利用简单的输入信号比较精确的½动给定角度的电机系统。
舵机安装了一个电½器（或其它角度传感器）检测输出½½动角度，控制板根据电½器
的信息½比较精确的控制和保持输出½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。
舵机的主½结构如下图所示，主要有几个部分：外壳、减速½½组、电机、电½器、控
制电路。简单的工½原理是控制电路接收信号源的控制信号，并驱动电机½动；½½组将电
机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电½器和½½组的
末级一起½动，测量舵机½½动角度；电路板检测并根据电½器判断舵机½动角度，然后控
制舵机½动到目标角度或保持在目标角度。
舵盘
上壳
½½组
中壳
电机
控制电路
控制线
下壳
图一 舵机的结构
舵机的外壳一般是塑料的，
特殊的舵机可½会有金属铝合金外壳。
金属外壳½够提供更
½的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。金属外壳也可
以提供更牢固的固定½½。
图二 金属外壳
½½箱有塑料½½、混合½½、金属½½的差别。塑料½½成本底，噪音小，½强度较
½；金属½½强度高，½成本高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。小扭矩舵机、
微舵、扭矩大½功率密度小的舵机一般½用塑料½½，如
Futaba 3003，辉盛的 9g
微舵。
金属½½一般用于功率密度较高的舵机上，比如辉盛的
995
舵机，在和
3003
一样½积的情
况下却½提供
13KG
的扭矩。
Hitec
甚至用钛合金½为½½材料，
其高强度½保证
3003
大小
的舵机½提供
20
几公斤的扭矩。混合½½在金属½½和塑料½½间做了折中，在电机输出
½½上扭矩一般不大，用塑料½½。
图三 各种½½箱
二、 舵机的规格和选型
½今½用的舵机有模拟舵机和数字舵机之分（具½差别见第
是相对较少。下面的技术规格同时适用与两种舵机。
节）
，不过数字舵机还
舵机的规格主要有几个方面：½速、½矩、电压、尺寸、重量 、材料等。我们在做舵
机的选型时要对以上几个方面进行综合考虑。
½速
½速由舵机无负½½的情况下½过
60°角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在
0.11/60°~0.21S/60°之间。
60°
½矩
舵机扭矩的单½是
KG·CM，这是一个扭矩单½。可以理解为在舵盘上距舵机½中心水
平距离 1CM 处，舵机½够带动的物½重量。
1cm
舵机扭矩
=n Kg.cm
n Kg
电压
厂商提供的速度、½矩数据和测试电压有关，在
4.8V
和
6V
两种测试电压下这两个参
数有比较大的差别。
Futaba S-9001
在
4.8V
时扭力为
3.9kg、
如
速度为
0.22
秒，
6.0V
时
在
扭力为
5.2kg、
速度为
0.18
秒。
若无特别注明， 的舵机½是以
4.8V
为测试电压，
JR
Futaba
则是以
6.0V
½为测试电压。
舵机的工½电压对性½有重大的½响，舵机推荐的电压一般½是
4.8V
或
6V。½然，有
的舵机可以在
7V
以上工½，比如
12V
的舵机也不少。较高的电压可以提高电机的速度和扭
矩。选择舵机还需要看我们的控制卡所½提供的电压。
尺寸、重量和材质
舵机的功率（速度×½矩）和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一般同样
品牌的舵机，功率密度大的价格高。
塑料½½的舵机在超出极限负荷的条件下½用可½会崩½，
金属½½的舵机则可½会电
机过热损毁或外壳变½。
所以材质的选择并没有绝对的倾向，
关键是将舵机½用在设计规格
之内。
用户一般½对金属制的物品比较信赖，
½½箱期望选择全金属的，
舵盘期望选择金属舵
盘。½需要注意的是，金属½½箱在长时间过½½下也不会损毁，最后确是电机过热损坏或外
壳变½，而这样的损坏是致½的，不可修复的。塑料出½的舵机如果½用金属舵盘是很危险
的，
舵盘和舵机½在相互扭½过程中，
金属舵盘不会磨损，
舵机½会在一段时间后变得光秃，
导致舵机完全不½½用。
综上，选择舵机需要在计算自己所需扭矩和速度，并确定½用电压的条件下，选择有
150%左右甚至更大扭矩富½的舵机。
三、 模拟舵机及其控制原理
舵机是一个微型的伺服控制系统，具½的控制原理可以用下图表示：
工½原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，
并驱动电机½动；
½½组将电机的速度成
大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电½器和½½组的末级一起½
动，测量舵机½½动角度；电路板检测并根据电½器判断舵机½动角度，然后控制舵机½动
到目标角度或保持在目标角度。
模拟舵机需要一个外部控制器
（遥控器的接收机）
产生脉½调制信号来告诉舵机½动角
度 ， 脉 冲 ½ 度 是 舵 机 控 制 器 所 需 的 编 码 信 息 。 舵 机 的 控 制 脉 冲 周 期
20ms
， 脉 ½ 从
0.5ms-2.5ms，分别对应-90
度到+90 度的½½。如下图所示：
需要解释的是舵机原来主要用在飞机、½½、船只模型上，½为方向舵的调节和控制装
½。所以，一般的½动范围是
45°、60°或者 90°，这时候脉冲½度一般只有 1ms-2ms
之
间。
而后舵机开始在机器人上得到大幅度的运用，
½动的角度也在根据机器人关节的需要增
加到-90 度至
90
度之间，脉冲½度也随之有了变化。
对于控制脉冲有的书上讲的是
PPM(脉½调制信号)，
有的定义为
PWM
（脉½调制信号）
。
准确的讲应该叫什么笔者也没有确定的答案，请恕我才疏学浅。对与模型遥控器，发射机到
接收机之间的信号编码方式是
PPM（也有 PCM）方式，½然，这个信号的编码传输过程不
是接收机到舵机之间，切不可混淆。对于
PPM、PCM
在调制信号上面的区别可以看《现代
无线通讯》。
对与机器人控制而言，我们一般通过单片机产生
PWM
信号控制舵机，所以下面对于舵
机的控制脉冲½称为
PWM
信号（一家直言，如若觉得不准确可以来信讨论）。
如果½是爱½者，只是想了解舵机，对于它的控制原理了解到这就可，下面我们将对模
拟舵机的具½电路进行分析，需要读者具有初步的模电、数电常识。
我们在½上可以很容易找到
Futaba 3003
的电路图，如图
4.3
所示。PWM 由接收通道进
入信号解调电路
BA6688
的
12
脚，这是周期
20ms，脉½ 0.5ms-2.5ms
之间的
PWM
信号。
该
PWM
信号和内部以
5K
电½器实际电压为基准的脉冲进行比较，得到的脉冲进行展½后
给
H
桥，H 桥根据展½后的脉冲信号驱动电机。解调后的直流偏½电压和通过电½器得到
反馈电压进行比较得到电压差，
BA66898
根据该电压差通过
3
脚输送的
PWM
信号给电机驱
动电路
BAL6686
驱动电机正反½，同时电机½动带动电½器½动，导致比较后的电压差变
化，直到电压差为
0，电机停止。
查下
H-Bridge
的驱动信号是脉冲还是什么。测一下，这个脉冲和电机½动的关系。
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