伺服电机主要适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，我们常见的的机械臂、多足机器人、摄像头云台等都可以用伺服电机来实现，是机器人驱动系统常见的重要实现方式。本章将介绍伺服电机的有关基础知识，主要内容如下。
- 伺服电机的基本知识。
- 控制伺服电机的基本原理。
- 使用树莓派控制伺服电机的实践。
本章我们将继续使用第5章搭建的多功能实验平台。此外，还需要一个伺服电机（ ~
）和一个1kΩ的电阻。知识储备方面，需要读者对脉冲宽度调制（PWM）有一定的了解
8.1 伺服电机(舵机)
8.1.1 结构及工作原理
伺服电机也叫舵机，英文servo，是由直流电机、减速齿轮组、电位器和控制电路组成，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单位，能够根据输入信号比较准确的转动到给定的角度，典型的伺服电机及其组成如图8.1所示。
图 8.1 伺服电机及其结构
如图8.2所示，伺服电机的基本工作原理：1、控制电路接收来自信号源的控制信号，并驱动直流电机转动；2、减速齿轮组按倍数降低直流电机转速，并将直流电机的输出扭矩放大到相应倍数，然后输出；3、电位器和减速齿轮组一起转动，测量伺服电机轴转动角度；4、控制电路检测并根据电位器判断伺服电机转动角度，然后控制伺服电机转动到目标角度或保持在目标角度。
图 8.2 伺服电机基本工作原理
8.1.2 规格和选型
伺服电机的种类繁多，选择一款合适的型号不是一件容易的事，我们在选型的时候要对以下几方面综合考虑。
- 角度
伺服电机不像普通直流电机只能机械的转圈，它可以根据指令在旋转到一定的角度后停下来，常见的旋转范围有~
、
、
等。
- 转矩
转矩也就是伺服电机的力量大小，能够带动多重的物体，单位为kg.cm，如9g.cm、15kg.cm、20kg.cm等。 - 转速
转速是指伺服电机在空载的情况下转过角所需的时间，常见伺服电机的速度一般在
~
。
- 电压
伺服电机的工作电压对性能有重大的影响，较高的电压可以提高伺服电机的转矩和转速，一般的推荐电压为4.8V和6V。 - 尺寸、重量
尺寸、重量也是伺服电机选型时需要考虑的一个重要指标。一般来说，伺服电机的功率与其尺寸、重量成正比，功率大的，尺寸、重量也相对较大。 - 材质
伺服电机的外壳一般是塑料的，也有金属的。金属外壳的散热性更好，伺服电机内的直流电机功率可以更高，以输出更高的扭矩。
减速齿轮的材质有塑料、金属和混合等3种。塑料齿轮的成本低、噪音小，其强度也较低，在超出极限负载时塑料齿轮可能会崩齿。金属齿轮强度高、成本也高，在装配精度一般的情况下噪声会很大，金属齿轮可以长时间超负载而不会损坏，但会导致直流电机过热损坏或外壳变形，且无法修复。
综上所述，选型时一般先计算伺服电机的转矩和转速，并确定电压，转矩应留有一定的富余，避免过载，然后确定旋转范围、尺寸、重量和材质等。
8.1.3 连接件
使用伺服电机时，还需要一些连接配件，一是能把伺服电机固定到基座上的支架，二是能将驱动轴和物体连在一起的连接装置。伺服电机的常见连接件如图8.3所示。
图 8.3 伺服电机连接件
伺服电机一般都带有可以上螺丝的安装孔，如果基座也带有合适的安装位置，就可以直接进行安装，但大多数情况下还是需要使用到各种支架才能固定到基座上。
购买伺服电机的时候，一般会附带一些带有小孔的圆盘，这就是舵盘。舵盘可以套在伺服电机的驱动轴上，上面的小孔就可以用于安装各类物体，如摄像头、超声波传感器等。当然了，一般还是需要一些连接支架才能把物体连接到舵盘上。
8.2 伺服电机控制原理
伺服电机有地线、电源线和控制线（信号线）3条连接线，中间的一条线通常为电源线。通过控制线发送一个脉冲宽度调制（PWM）信号可以控制伺服电机转动到一个角度，这个PWM信号必须周期性发送，否则伺服电机就会转到一个任意的角度。通常，控制伺服电机的PWM信号周期为20ms（50HZ），宽度在0.5ms-2.5ms之间(对应最小角度和最大角度)。
如图8.4所示，以 ~
伺服电机为例，展示了伺服电机角度、脉冲宽度和占空比的关系。当角度为
时，脉冲宽度为0.5ms（占空比为2.5%）；当角度为
时，脉冲宽度为1.5ms（占空比为7.5%）；当角度为
时，脉冲宽度为2.5ms（占空比为12.5%）。对于
~
、
~
等的伺服电机可以依此类推。
图 8.4 伺服电机角度、脉冲宽度和占空比的关系
树莓派没有提供专门控制伺服电机角度的功能，我们只能使用RPi.GPIO库的PWM功能来控制伺服电机，然而RPi.GPIO库也只是提供了控制PWM信号占空比的功能，想要控制伺服电机的角度还需进行一定的转换。
假设direction为角度，duty为占空比，很明显角度和占空比之间存在一次函数关系。如图8.5所示，当伺服电机的旋转角度为
~
时，可计算出k=1/18，b=2.5，即
。
图 8.5 伺服电机角度与PWM信号占空比关系
对于其它旋转角度的伺服电机的角度-占空比转换可以依次类推。从本质上讲，树莓派控制树莓派实际上是对PWM信号占空比的控制。
8.3 伺服电机控制实践
下面我们进行树莓派控制伺服电机的实验。这个实验您允许输入一个大于等于0且小于等于180的数字，控制伺服电机旋转到这个数字指定的角度。
8.3.1 实验电路
实验的电路原理图如图8.6所示。控制线与GPIO26引脚串联了一个1kΩ的电阻，可以防止伺服电机发生故障时，控制信号的瞬间高强电流对GPIO引脚造成损害，但这不是必不可少的。这里使用的伺服电机的电压仅4.8V，因此可以直接从树莓派上取电，如果使用伺服电机的电压较高，那就需要采用外置电源为其供电。
图 8.6 伺服电机控制电路图
实验的电路实物连接图如图8.7所示。该款伺服电机的控制线为橘色，电源线为红色，地线为棕色。
图 8.7 伺服电机控制电路实物连接图
8.3.2 程序思路
前面我们说过树莓派控制伺服电机实际上是对PWM信号占空比的控制，因此程序的思路与第6章类似，具体如下。
BEGIN
引入GPIO库
将GPIO26设置为输出模式，用于输出伺服电机控制信号
创建PWM对象，并设置初始频率为50Hz（周期为20ms）
启动PWM，并设置初始占空比为0
DO FOREVER
等待输入伺服电机要旋转的角度
将角度转换为占空比
更改PWM信号占空比，将伺服电机旋转到指定角度
ENDO
停止PWM
清理释放GPIO资源
END8.3.3 程序代码
以下为本实验的程序代码，详细说明见注释。
import RPi.GPIO as GPIO # 引入GPIO模块
if __name__ == '__main__':
ServoPin = 26
PWMFreq = 50 # PWM信号频率
GPIO.setmode(GPIO.BCM) # 使用BCM编号方式
GPIO.setup(ServoPin, GPIO.OUT) # 将GPIO19设置为输出模式
pwm = GPIO.PWM(ServoPin, PWMFreq) # 创建PWM对象，并设置频率为50
pwm.start(0) # 启动PWM，并设置初始占空比0
try:
while True:
# 等待输入一个0到180的角度
direction = float(input("Pleas input the direction: "))
if direction < 0 or direction > 180:
print("Please input a direction between 0 an 180.")
continue
duty = (1/18) * direction + 2.5 # 将角度转换为占空比
pwm.ChangeDutyCycle(duty) # 改变PWM占空比
finally:
pwm.stop() # 停止PWM
GPIO.cleanup() # 清理释放GPIO资源，将GPIO复位8.4 本章小结
本章首先介绍了伺服电机的的结构及工作原理、规格和选型、连接件等基础知识。其次，介绍伺服电机控制原理，重点讲解了伺服电机角度和PWM信号占空比的转换。最后，通过一个实验让读者了解如何使用树莓派控制伺服电机。读者在学完这章后，应该对伺服电机有一定的了解，并能使用伺服电机。
后记
- 在败家中又完成了一篇，不到半小时烧坏了3个伺服电机，大几十块就没了，为了能把东西讲清楚还把初中数学一次函数知识给复习了一遍，画图画到手抽筋。
- 感觉这篇写得要比上一篇好，希望能用最简洁的语言把要表达的东西说清楚。
- 2019年6月24日树莓派出第四代。
