跳转至

舵机与总线舵机

概述

舵机（Servo）是集电机、减速器、控制电路和位置传感器于一体的闭环执行器。从最简单的PWM舵机到高性能总线舵机，覆盖了从入门到专业的各种机器人应用。

PWM舵机

工作原理

PWM舵机通过脉冲宽度调制信号控制转角：

  • 信号频率：50Hz（周期20ms）
  • 脉冲宽度：0.5ms-2.5ms 对应转角范围
  • 典型映射：1ms→0°，1.5ms→90°，2ms→180°
     1ms       1.5ms      2ms
    ┌─┐       ┌──┐       ┌───┐
    │ │       │  │       │   │
────┘ └───────┘  └───────┘   └────
    0°        90°        180°

    ←──────── 20ms 周期 ──────────→

内部结构

PWM信号 → 控制IC → H桥驱动 → 直流电机 → 减速齿轮组 → 输出轴
                       ↑                              ↓
                  比较/PID ←── 电位器（角度反馈）←─────┘

常见型号

SG90 微型舵机

参数 值
扭矩 1.8kg·cm (4.8V)
速度 0.1s/60°
重量 9g
角度范围 180°
齿轮 塑料
价格 ~5元
适用 入门实验、轻载场景

MG996R 标准舵机

参数 值
扭矩 11kg·cm (6V)
速度 0.14s/60°
重量 55g
角度范围 180°
齿轮 金属
价格 ~20元
适用 机械臂、云台

MG90S 微型金属齿轮

参数 值
扭矩 2.2kg·cm (4.8V)
重量 13.4g
齿轮 金属
适用 需要耐久的小型场景

PWM舵机控制代码

// Arduino PWM舵机控制
#include <Servo.h>

Servo myServo;

void setup() {
    myServo.attach(9);  // PWM引脚
}

void loop() {
    // 方法1：直接设置角度
    myServo.write(90);   // 转到90°
    delay(1000);

    // 方法2：设置脉冲宽度（微秒）
    myServo.writeMicroseconds(1500);  // 中位
    delay(1000);

    // 平滑运动
    for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
        myServo.write(angle);
        delay(15);
    }
}

PWM舵机的局限

  • 无反馈：只能发送目标位置，不知道是否到达
  • 单线控制：每个舵机占用一个PWM引脚
  • 精度有限：电位器反馈精度低
  • 无扭矩/速度控制：只能控制位置
  • 不可级联：大量舵机需要PCA9685等PWM扩展板

串行总线舵机

总线舵机通过串行通信协议控制，解决了PWM舵机的诸多局限。

核心优势

特性 PWM舵机 总线舵机
连接方式 每个独占PWM引脚 菊花链串联
反馈 无 位置+速度+扭矩+温度
控制模式 仅位置 位置/速度/扭矩
ID寻址 无 每个舵机有唯一ID
参数配置 无 可配置PID、限位、波特率等
布线 复杂（多线） 简洁（一条总线）

Waveshare ST3215 / ST3235

幻尔科技（Feetech）STS系列，Waveshare代理销售，性价比高：

参数 ST3215 ST3235
扭矩 15kg·cm 20kg·cm
速度 0.054s/60° 0.068s/60°
分辨率 4096 (0.088°) 4096
通信 半双工UART (TTL) 半双工UART
波特率 1Mbps (最高) 1Mbps
反馈 位置+速度+负载+温度+电压 同左
控制模式 位置/速度/PWM开环 同左
价格 ~60元 ~80元

菊花链连接

MCU(TX/RX) → 舵机1(ID=1) → 舵机2(ID=2) → 舵机3(ID=3) → ...
               │               │               │
              GND             GND             GND
              VCC             VCC             VCC

半双工注意

STS系列使用单线半双工通信，TX和RX共用一根数据线。需要方向控制（三态缓冲器或GPIO控制收发切换）。

控制示例

# Waveshare ST3215 Python控制示例
# 使用 SCServo SDK

from scservo_sdk import *

# 初始化端口
portHandler = PortHandler('/dev/ttyUSB0')
packetHandler = SMS_STS(portHandler)

portHandler.openPort()
portHandler.setBaudRate(1000000)  # 1Mbps

SERVO_ID = 1

# 写入目标位置（0-4095对应0-360°）
# 参数: ID, 目标位置, 速度, 加速度
packetHandler.WritePosEx(SERVO_ID, 2048, 1000, 50)  # 中位, 速度1000, 加速度50

# 读取当前状态
position = packetHandler.ReadPos(SERVO_ID)
speed = packetHandler.ReadSpeed(SERVO_ID)
load = packetHandler.ReadLoad(SERVO_ID)
temperature = packetHandler.ReadTemperature(SERVO_ID)

print(f"位置: {position}, 速度: {speed}, 负载: {load}, 温度: {temperature}°C")

# 同步写入多个舵机（同时运动）
groupSyncWrite = GroupSyncWrite(portHandler, packetHandler, 
                                 SMS_STS_GOAL_POSITION, 4)
groupSyncWrite.addParam(1, [0x00, 0x08, 0xE8, 0x03])  # ID1: pos=2048, speed=1000
groupSyncWrite.addParam(2, [0x00, 0x04, 0xE8, 0x03])  # ID2: pos=1024, speed=1000
groupSyncWrite.txPacket()

Dynamixel 系列

Robotis公司的Dynamixel是最知名的总线舵机品牌，广泛用于科研和竞赛。

常用型号

型号 扭矩 通信 分辨率 特点
AX-12A 15.3kg·cm TTL半双工 1024 入门经典，已停产
XL330-M288 0.43N·m TTL半双工 4096 超小型，适合灵巧手
XL430-W250 1.4N·m TTL半双工 4096 性价比入门
XM430-W350 4.1N·m RS-485 4096 科研主力
XM540-W270 10.6N·m RS-485 4096 高扭矩

Dynamixel Protocol 2.0

通信协议结构：

[Header] [Reserved] [ID] [Length] [Instruction] [Parameters...] [CRC]
 FF FF FD   00      0x01  0x07      0x03          ...            CRC

主要指令：

指令 值 功能
Ping 0x01 检测舵机是否在线
Read 0x02 读取控制表数据
Write 0x03 写入控制表数据
Sync Read 0x82 同步读取多个舵机
Sync Write 0x83 同步写入多个舵机
Bulk Read 0x92 批量读取（不同地址）

Dynamixel Python SDK

from dynamixel_sdk import *

ADDR_TORQUE_ENABLE = 64
ADDR_GOAL_POSITION = 116
ADDR_PRESENT_POSITION = 132
BAUDRATE = 57600
PROTOCOL_VERSION = 2.0

portHandler = PortHandler('/dev/ttyUSB0')
packetHandler = PacketHandler(PROTOCOL_VERSION)

portHandler.openPort()
portHandler.setBaudRate(BAUDRATE)

DXL_ID = 1

# 使能扭矩
packetHandler.write1ByteTxRx(portHandler, DXL_ID, ADDR_TORQUE_ENABLE, 1)

# 写入目标位置（0-4095）
packetHandler.write4ByteTxRx(portHandler, DXL_ID, ADDR_GOAL_POSITION, 2048)

# 读取当前位置
position, result, error = packetHandler.read4ByteTxRx(
    portHandler, DXL_ID, ADDR_PRESENT_POSITION)
print(f"当前位置: {position}")

# 关闭扭矩
packetHandler.write1ByteTxRx(portHandler, DXL_ID, ADDR_TORQUE_ENABLE, 0)
portHandler.closePort()

RS-485与TTL对比

特性 TTL半双工 RS-485
电平 0/3.3V 或 0/5V 差分信号
传输距离 <1m <1200m
抗干扰 弱 强
节点数 较少 最多32/256个
典型应用 小型机器人 工业/大型机器人

详见 串口与I2C_SPI

总线舵机对比总结

特性 Feetech STS Dynamixel X
价格 低（60-100元） 高（300-2000元）
生态 SDK较简单 SDK完善、文档丰富
社区 国内为主 全球科研社区
通信协议 私有协议 Protocol 2.0（开放）
软件工具 FD调试工具 Dynamixel Wizard 2.0
适用 性价比项目、教育 科研、竞赛、商用

舵机供电注意事项

供电隔离

  • 舵机（尤其多个）应使用独立电源，不要与MCU共用
  • 大电流瞬间可能导致MCU复位
  • 电源线要足够粗，减少压降
  • 总线舵机启动瞬间电流可达额定的3-5倍

典型供电方案

电池/电源 ─┬─→ 降压模块(5V/3.3V) ──→ MCU
           │
           └─→ 舵机电源(6-12V) ──→ 舵机总线
                                     │
                              共地 ←─┘

小结

  • PWM舵机简单便宜，适合入门和轻载应用
  • 总线舵机支持菊花链、状态反馈、多模式控制，适合复杂机器人
  • Feetech STS系列性价比高，Dynamixel生态完善
  • 大量舵机项目务必注意供电设计
  • 选型时需综合考虑扭矩、精度、通信方式和预算

评论 #