舵机的转速与工作电压之间有什么关系？

舵机的性能

舵机[1] 在自动控制场合被广泛应用。舵机的输出力矩、转动速度、命令更新频率等标准了舵机的工作性能。在全国大学生智能车竞赛中 ，大多数车模作品的方向控制都使用了舵机控制。在赛道上运行的车模速度，在 控制参数设置 合理的情况下，最高速度取决于舵机的响应速度。

通常，舵机的运行取决于 舵机特有的脉冲指令高电平时间宽度[2] ，而与脉冲指令的频率无关。所以控制舵机的脉冲波形与控制电机运行的 PWM 波形的作用是不同的。

舵机内部具有驱动电路板，保证输出角度与脉冲指令的宽度之间呈现比例关系。舵机输出转角速度则取决于舵机本身内部机械结构、电机的性能、工作电压等各种因素。

▲ 舵机指令与舵机转轴位置

由于舵机的转速与指令无关，所以从本质上讲， 舵机不是一个线性模型[3] 。当舵机转动角度越大，它的动态非线性就越明显。

01、舵机转动速度与工作电压

舵机的转动速度越快，在智能车竞赛中车模控制性能就会越好。正好手边测试了一个 角度编码器 ST-3806-15-RS[4] ，它有每周 15bit 的角度分辨率。这款角度编码器用于一款 双轴机械臂 的控制中。现在正好可以用它来测试舵机转动的角度、角速度。依次来分析舵机工作电压与执行速度之间的关系。

1. 测量方法

选择 S-D5 舵机，使用橡胶套管将舵机输出轴与角度编码器连接在一起。使用机械平台将它们固定、共轴。使用 角度编码器 ST-3806-15-RS[4] 测试电路模块来读取角度传感器的数值，控制多级的转动。

▲ 使用角度传感器测量舵机旋转速度

给定舵机脉冲指令，从 1000us 突变到 2000us。舵机顺时针旋转 60°。在这个过程中，采集角度的速率为 3ms，读取 200 个。得到的角度曲线如下：

取角度上升线性部分（距离最下，最上各 5%的余量），进行线性拟合。再计算拟合直线与最小角度、最大角度对应的时间交点。使用这个交点之间的时间差作为舵机的执行时间。执行时间的倒数可以反映舵机输出角速度。

▲ 测量旋转角度曲线对应执行时间

2. 测量数据

下面使用数控直流电源调节舵机工作电压，从 4.0V ~ 6V，分成 20 个工作电压点。在每个工作电压点，测量舵机的转动曲线，使用上面的方法，获得舵机的转动时间。

▲ 随着工作电压的增加，舵机转动角度的曲线的变化

下图给出了舵机转动时间与工作电压测量的数据曲线。工作电压越高，舵机执行时间就越短。

▲ 工作电压与转动时间之间的关系

将上述时间取倒数（1000/time(ms)），可以获得下面的舵机转动相对速度与工作电压之间的关系。大体可以看到舵机执行速度与工作电压成正比。

▲ 工作电压与舵机转动速度之间的关系

02 分析结论

通过前面的分析可以看出：

为了提高多级的执行速度，可以在舵机允许的工作电压范围内尽可能提高舵机的工作电压；为了避免高的工作电压对舵机内部的电路过压的影响，需要在舵机工作电源进行必要的限幅和稳压。在舵机工作过程中，如果频繁的转动，需要考虑到舵机散热；

▲ 舵机指令在 1000us 在 2000us 之间切换变化

此外，还可以通过在舵机输出轴，增加执行悬臂的长度，来通过机械放大提高舵机控制车模前轮转向的速度。

参考资料[1]

舵机内部结构: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108363726

[2]舵机特有的脉冲指令高电平时间宽度: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108419980

[3]舵机不是一个线性模型: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105701378

[4]角度编码器 ST-3806-15-RS: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108563292