舵机（Servo）全面介绍与 Arduino 控制详解
舵机是一种闭环控制的高精度执行元件，核心优势是能精确控制旋转角度（或连续旋转时的转速 / 方向），广泛应用于机器人关节、无人机云台、RC 模型（车 / 船 / 飞机）、智能小车转向等场景。本文将从舵机的基础原理、分类入手，逐步讲解 Arduino 控制舵机的硬件连接、软件实现及常见问题解决方案。
一、舵机基础介绍
1. 舵机的核心结构
舵机本质是 “电机 + 减速机构 + 位置反馈 + 控制电路” 的集成体，各组件功能如下：
直流电机（DC Motor）：提供原始动力，转速快但扭矩小。
减速齿轮组：降低电机转速（通常减速比 1:100~1:300），同时大幅提升输出扭矩（满足负载需求）。
电位器（位置传感器）：与输出轴机械联动，实时反馈当前舵机的旋转角度（闭环控制的关键）。
控制电路：接收外部 PWM 控制信号，对比 “目标角度”（来自 PWM）与 “当前角度”（来自电位器），驱动电机正转 / 反转，直到两者一致后停止。
2. 舵机的工作原理（核心：PWM 信号控制）
舵机通过特定频率的 PWM（脉冲宽度调制）信号确定目标角度，标准控制逻辑如下：
PWM 周期固定：绝大多数舵机的 PWM 周期为 20ms（即每秒发送 50 个脉冲，50Hz）。
高电平时间决定角度：PWM 信号中的高电平持续时间（T）与舵机旋转角度（θ）呈线性对应关系，常见范围：
T = 0.5ms → θ = 0°（舵机转到最左端）
T = 1.5ms → θ = 90°（舵机转到中间位置）
T = 2.5ms → θ = 180°（舵机转到最右端）
闭环控制过程示例：
当外部发送 “1.5ms 高电平” 的 PWM 信号时，控制电路会：
读取电位器反馈的当前角度（假设为 0°）；
对比 “目标角度 90°” 与 “当前角度 0°”，判断电机需正转；
驱动电机正转，同时通过电位器实时监测角度；
当角度达到 90° 时，电机停止转动，实现 “精准定位”。
3. 舵机的常见分类
根据应用场景，舵机主要按以下维度分类：
分类维度
常见类型
特点与应用场景
旋转角度
1. 有限角度舵机（90°/180°/270°）
连续旋转舵机（360°）|1. 精准控角（如机器人关节、云台）
控速 / 控方向（如小车驱动轮）|
|输出扭矩|1. 微型舵机（1~5kg・cm，如 SG90）
标准舵机（5~20kg・cm，如 MG995）
大扭矩舵机（>20kg・cm，如 MG996R）|1. 轻负载（小型机器人）
中负载（RC 模型）
重负载（机械臂）|
|供电电压|1. 5V 舵机（如 SG90）
6V 舵机（如 MG995）
7.4~12V 高压舵机|电压越高，扭矩 / 转速通常越大（需匹配电源）|
|齿轮材质|1. 塑料齿轮（低成本、轻负载）
金属齿轮（高耐磨、高扭矩）|1. 入门场景（SG90）
高负载 / 长期使用（MG996R）|
4. 舵机的关键参数（选型参考）
选型时需关注以下参数，避免 “力不足” 或 “性能过剩”：
工作角度：确认需求角度（如机械臂关节需 180°，小车转向需 90°）。
输出扭矩：单位为 “kg・cm”（指在距离输出轴 1cm 处能带动的最大重量），需大于实际负载扭矩（建议预留 20% 余量）。
响应速度：单位为 “s/60°”（指舵机从 0° 转到 60° 的时间），速度越快，动态响应越灵敏（如云台跟踪需快响应）。
工作电压：需与电源匹配（如 SG90 接 5V，MG996R 接 6V 时扭矩最佳）。
二、Arduino 控制舵机的详细实现
Arduino 控制舵机的核心是 “生成符合舵机要求的 PWM 信号”，主要有两种方法：使用官方 Servo 库（简单高效） 和 手动生成 PWM 信号（灵活可控）。以下以最常见的 “180° 微型舵机（SG90）” 和 “Arduino UNO” 为例，分步讲解。
1. 硬件准备
组件名称
规格 / 型号
作用说明
Arduino 主板
Arduino UNO/Nano
核心控制单元，发送 PWM 信号
舵机
SG90（180°，5V，2.5kg·cm）
执行元件，接收信号并旋转到指定角度
杜邦线
公对母（3 根）
连接 Arduino 与舵机
外接电源（可选）
5V/2A 直流电源（如充电宝）
若舵机负载大（如带机械臂），需外接电源（避免 Arduino USB 供电不足）
2. 舵机与 Arduino 的硬件连接
首先明确舵机的 3 根线定义（不同品牌颜色可能略有差异，以 datasheet 为准）：
电源线（VCC）：通常为红色，接 Arduino 的 5V 或外接电源的 5V；
地线（GND）：通常为棕色 / 黑色，接 Arduino 的 GND（必须与电源共地，否则信号紊乱）；
信号线（Signal）：通常为橙色 / 黄色 / 白色，接 Arduino 的数字引脚（如 9 号引脚）。
连接示意图（以 SG90 为例）：
舵机引脚（颜色）
Arduino UNO 引脚
外接电源（若使用）
红色（VCC）
5V
5V 输出
棕色（GND）
GND
GND
橙色（Signal）
9（数字引脚）
-
关键注意事项：
若舵机抖动、不转或 Arduino 重启，大概率是供电不足：此时需将舵机 VCC 接外接 5V 电源，舵机 GND 与 Arduino GND 相连（共地），Arduino 仍通过 USB 供电。
信号线切勿接错到电源 / 地线，否则可能烧毁舵机或 Arduino 引脚。
3. 软件实现：两种控制方法
方法 1：使用 Arduino 官方 Servo 库（推荐入门）
Servo 库是 Arduino 官方提供的舵机控制库，已预装在 Arduino IDE 中，无需额外安装。其核心函数简洁，可快速实现角度控制，支持最多 12 个舵机（不同主板数量有差异）。
示例 1：舵机从 0° 转到 180°，再转回 0°（循环）
cpp
运行
// 1. 包含Servo库
#include
// 2. 创建Servo对象（命名为myServo，可自定义）
Servo myServo;
// 3. 定义舵机信号线连接的Arduino引脚
const int servoPin = 9;
void setup() {
// 4. 将舵机信号线引脚与Servo对象绑定（初始化舵机）
myServo.attach(servoPin);
// （可选）设置舵机初始角度（如90°）
myServo.write(90);
delay(1000); // 等待舵机转到初始位置
}
void loop() {
// 5. 控制舵机转到0°（write(角度)：角度范围0~180）
myServo.write(0);
delay(1500); // 等待1.5秒，让舵机稳定到位
// 控制舵机转到90°
myServo.write(90);
delay(1500);
// 控制舵机转到180°
myServo.write(180);
delay(1500);
// 控制舵机转回0°
myServo.write(0);
delay(1500);
}
示例 2：通过串口控制舵机角度（手动输入角度）
通过串口监视器输入 0~180 的数字，舵机实时转到对应角度，适合调试：
cpp
运行
#include
Servo myServo;
const int servoPin = 9;
int targetAngle = 90; // 初始角度
void setup() {
myServo.attach(servoPin);
myServo.write(targetAngle);
// 初始化串口通信（波特率9600，与串口监视器一致）
Serial.begin(9600);
Serial.println("请输入0~180的角度：");
}
void loop() {
// 若串口接收到数据
if (Serial.available() > 0) {
// 读取串口输入的数字（转换为整数）
targetAngle = Serial.parseInt();
// 限制角度在0~180（避免舵机超量程损坏）
targetAngle = constrain(targetAngle, 0, 180);
// 控制舵机转到目标角度
myServo.write(targetAngle);
// 串口反馈当前角度
Serial.print("当前舵机角度：");
Serial.println(targetAngle);
}
delay(50); // 小幅延时，稳定串口读取
}
Servo 库核心函数说明：
函数
功能描述
Servo 对象名.attach(引脚)
绑定舵机信号线引脚，初始化舵机（必须在 setup () 中调用）
Servo 对象名.write(角度)
设置舵机目标角度（0~180°，连续旋转舵机需特殊处理）
Servo 对象名.read()
读取舵机当前的角度（返回 0~180 的整数，用于反馈检测）
Servo 对象名.detach()
解除舵机与引脚的绑定（释放引脚资源，后续需重新 attach 才能控制）
方法 2：手动生成 PWM 信号（进阶，灵活可控）
若 Servo 库与其他库（如电机驱动库）存在定时器冲突，或需更精确控制 PWM 参数（如调整周期），可手动通过digitalWrite()和delayMicroseconds()生成 PWM 信号。
核心逻辑：按 “20ms 周期” 循环，在每个周期内输出 “0.5~2.5ms 高电平”（对应 0~180°），其余时间为低电平。
示例：手动控制舵机转到 90°（1.5ms 高电平）
cpp
运行
// 定义舵机信号线引脚
const int servoPin = 9;
void setup() {
// 设置舵机引脚为输出模式
pinMode(servoPin, OUTPUT);
}
void loop() {
// 1. 输出高电平（1.5ms，对应90°）
digitalWrite(servoPin, HIGH);
delayMicroseconds(1500); // 高电平时间（单位：微秒）
// 2. 输出低电平（20ms - 1.5ms = 18.5ms，凑整为18ms，误差可忽略）
digitalWrite(servoPin, LOW);
delay(18); // 低电平时间（单位：毫秒）
// 若需调整角度，修改delayMicroseconds的参数：
// 0° → 500us，90°→1500us，180°→2500us
}
手动控制的优缺点：
优点：不依赖 Servo 库，避免定时器冲突；可自定义 PWM 周期（如部分特殊舵机需 19ms 周期）。
缺点：占用 CPU 资源（delayMicroseconds()会阻塞程序）；多舵机控制需复杂的时序管理（需用非阻塞方法，如millis()）。
4. 360° 连续旋转舵机的控制（特殊说明）
360° 舵机无 “角度控制” 功能，而是通过 PWM 信号控制转速和方向，其控制逻辑与 180° 舵机不同：
1.5ms 高电平：舵机停止旋转；
<1.5ms 高电平（如 1.0ms）：舵机正转（高电平越短，转速越快）；
>1.5ms 高电平（如 2.0ms）：舵机反转（高电平越长，转速越快）。
360° 舵机控制示例（正转→停止→反转）：
cpp
运行
#include
Servo my360Servo;
const int servoPin = 9;
void setup() {
my360Servo.attach(servoPin);
}
void loop() {
// 正转（1.0ms高电平，转速较快）
my360Servo.writeMicroseconds(1000);
delay(3000); // 正转3秒
// 停止（1.5ms高电平）
my360Servo.writeMicroseconds(1500);
delay(2000); // 停止2秒
// 反转（2.0ms高电平，转速较快）
my360Servo.writeMicroseconds(2000);
delay(3000); // 反转3秒
}
注意：360° 舵机的write()函数无效，需用writeMicroseconds()直接控制高电平时间。
三、常见问题与解决方案
问题现象
可能原因
解决方案
舵机无反应，完全不转
1. 接线错误（如信号线接 GND）
供电不足
舵机损坏|1. 重新核对接线（VCC→5V，GND→GND，Signal→数字引脚）
外接 5V/2A 电源
更换舵机测试|
|舵机抖动严重，角度不稳定|1. 电源电压波动（如 USB 供电不足）
信号线受干扰（如与电机线并行）
角度超出舵机量程|1. 外接稳定电源，确保共地
用屏蔽线或远离电机线
用constrain()限制角度 0~180|
|Arduino 重启或报错|1. 舵机启动电流过大，导致 USB 供电过载
引脚短路（如 Signal 接 VCC）|1. 舵机独立供电，禁止舵机 VCC 接 Arduino 5V
检查引脚是否短路，更换损坏引脚|
|舵机角度与指令偏差大|1. 舵机本身精度低（如廉价塑料齿轮舵机）
未校准初始角度|1. 更换高精度舵机（如金属齿轮舵机）
手动调整write()参数（如目标 90° 实际 85°，则写 85）|
四、总结
舵机的核心是 “PWM 信号 + 闭环反馈”，Arduino 控制的关键在于：
正确接线：确保 VCC 供电充足、GND 共地、Signal 接数字引脚；
选择合适的控制方法：入门用 Servo 库（简单），进阶用手动 PWM（灵活）；
规避供电问题：负载大时必须外接电源，避免损坏 Arduino 或舵机。
通过本文的介绍，你可以实现从 “舵机选型” 到 “Arduino 控制” 的完整流程，后续可结合传感器（如超声波、红外）实现更复杂的功能（如自动跟踪云台、避障机器人关节控制）。
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用Arduino控制舵机时，如何计算PWM信号的高电平时间？
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