数字舵机和模拟舵机介绍和区分方法

GreatWall

国外有工程师做了详细的介绍和演示，链接如下：
https://www.rchelicopterfun.com/rc-servos.html
这里简单介绍一下。

数字舵机(Digital Servo)和模拟舵机(Analog Servo)在基本的机械结构方面是完全一样的，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成.
而数字舵机和模拟舵机的最大区别则体现在控制电路上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的多了微处理器（芯片）和晶振。


两者在控制舵机马达初始电流的方式，减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。

一般来说，模拟舵机的频率是固定50Hz；而数字舵机有不同频率，有的高达667赫兹，甚至更高。
模拟舵机的工作原理
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，
将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，
通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0， 电机停止转动。


模拟舵机的“缺点”
模拟舵机在空载时，是没有动力被传到舵机马达的。只有当有信号输入促使舵机移动，或者舵机的摇臂受到外力作用的时候，舵机才会作出反应，
向舵机马达传动动力(电压)。这种动力实际上每秒传递50次（频率50Hz），被调制成开/关脉冲的最大电压，并产生一小段一小段的动力。
当加大每一个脉冲的宽度的时候，如电子变速器的效能就会出现，直到最大的动力/电压被传送到马达，马达转动使舵机摇臂指到一个新的位置。
然后，当舵机电位器告诉电子部分它已经到达指定的位置，那么动力脉冲就会减小脉冲宽度，并使马达减速。直到没有任何动力输入，马达完全停止。
模拟舵机，在你打摇杆的时候，加载在马达上的电压大小是一致的，但是随着打杆幅度增大，这个固定大小的电压的持续时间会加长。利用打杆幅度的加大对于占空比的增加。
模拟舵机的“缺点”是：假设给一个短促的动力脉冲，紧接着是很长的停顿，这种情况下，并不能给马达施加多少激励，使其转动。
这意味着如果有一个比较小的控制动作，舵机就会发送很小的初始脉冲到马达，这是非常低效率的（没什么力，有时无法推动马达转动）。
这也是为什么模拟舵机有“无反应区”（或死区）的存在。比如，你很轻微地摇动遥控器摇杆的时候，舵机对于遥控器的细小动作，反应非常迟钝，或者根本就没有反应。


数字舵机的“优点”

A. 因为微处理器的存在，数字舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前，对输入的信号根据程序设定的参数进行处理。
    这意味着动力脉冲的宽度，也就是激励马达转动的动力，可以根据微处理器的程序运算进行调整，以适应不同的功能要求，并优化舵机的性能。
B. 数字舵机以高得多的频率向马达发送动力脉冲。就是说，相对与传统的50脉冲/秒，现在是300脉冲/秒。
    虽然，因为频率提高的关系，每个动力脉冲的宽度被减小了，但马达在同一时间里收到更多的激励信号，并转动得更快。
    这也意味着不仅仅舵机马达以更高的频率响应遥控器的信号，而且“无反应区”变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；数字舵机提供更高的精度和更好的固定力量。

数字舵机在微打舵的时候，虽然脉宽变小，但次数多，累积的有效激励脉宽宽度更高，激励力量也就更强，死区减小。

数字舵机的“缺点”

　　1、数字舵机需要消耗更多的动力。数码舵机以更高频率去修正马达，这会增加总体的动力消耗。

　　2、相对教短的寿命。马达总在转来转去做修正，这会增加马达等转动部位的消耗。


数码舵机与模拟舵机的区别
　　1、数码舵机在位置准确度方面要高于模拟舵机。

　　2、在同样标称1.6公斤的舵机面前数码舵机在实际表现中会感觉更加“力气大”而模拟舵机就会“肉”点。

　　3、模拟舵机由于控制芯片是模拟电路，所以即便是相同型号的舵机会存在小小的性能差异，而数码舵机在一致性方面就非常好。

　　4、数码舵机一般均采用PID优化算法，所以，线性要好过模拟舵机。

　　5、对于高灵敏度的控制，建议选择数码舵机，如直升机的控制，高速固定翼飞机，高速滑翔机，比赛用车膜型，云台的控制等

　　6、对于不是特别需要灵敏度的场合，如低速固定翼（二战飞机，练习机，低速滑翔机等），船模，娱乐用车模等。可以考虑模拟舵机


我们做一个计算：
假定模拟舵机短促作用的时间是0.01秒，频率是f1 （f1=50Hz），假如PWM占和空分别用x和y表示，
那么有效脉宽长度是： x1/（x1+y1） * 0.01*f1
此处： x+y是整个脉宽长度，因此x1+y1=1/f1 （=1/50 = 0.02s，即20毫秒）
对于数字舵机，假定频率是300，用f2表示，同理有：
有效脉宽长度是： x2/（x2+y2） * 0.01*f2
                     且： x2+y2 = 1/f2 （=1/300 = 0.00333s，即3.333毫秒）
对比2个舵机在短时间内对马达的激励力量，可以用2个有效脉宽长度式子做除法：
（ x1/（x1+y1） * 0.01*f1）：（x2/（x2+y2） * 0.01*f2）
把x1+y1=1/f1和x2+y2 = 1/f2 代入得：
（x1*f1*0.01*f1）：（x2*f2*0.01*f2）= （x1*f1*f1）/（x2*f2*f2）=(2500/f2^2)* (X1/X2)
只要知道占空比，就能算出2个式子的比例关系，从而知道两者驱动力量的对比了。
此处以数字舵机频率300为例，
有2500/（300*300） * （X1/X2）
得： 0.02778*（X1/X2）

区分数字舵机和模拟舵机的方法：
数字通电会有吱吱声，模拟很安静。



数字舵机的反应速度为何比模拟舵机快
很多模友错误以为：“数码舵机的 PWM 驱动频率 300Hz 比模拟舵机的 50Hz 高 6 倍，
则舵机电机转速快 6 倍，所以数码舵机的反应速度就比模拟舵机快 6 倍” 。
这里请大家注意占空比的概念，脉宽为每周期有效电平时间，占空比为脉宽/周期的百分比，
所以大小与频率无关。占空比决定施加在电机上的电压，在负载转矩不变时，就决定电机转速，
与 PWM 的频率无关。

　　模拟舵机是直流伺服电机控制器芯片一般只能接收 50Hz 频率（周期 20ms）~300Hz 左右
的 PWM外部控制信号，太高的频率就无法正常工作了。若 PWM 外部控制信号为 50Hz，则直流
伺服电机控制器芯片获得位置信息的分辨时间就是 20ms，比较 PWM 控制信号正比的电压与反
馈电位器电压得出差值，该差值经脉宽扩展（占空比改变，改变大小正比于差值）后驱动电机动
作，也就是说由于受 PWM 外部控制信号频率限制，最快 20ms 才能对舵机摇臂位置做新的调整。

　　数码舵机通过 mcu 可以接收比 50Hz 频率（周期 20ms）快得多的 PWM 外部控制信号，就
可在更短的时间分辨出 PWM 外部控制信号的位置信息，计算出 PWM 信号占空比正比的电压与
反馈电位器电压的差值，去驱动电机动作，做舵机摇臂位置最新调整。

　　结论：不管是模拟还是数码舵机，在负载转矩不变时，电机转速取决于驱动信号占空比大小
而与频率无关。数码舵机可接收更高频率的 PWM 外部控制信号，可在更短的周期时间后获得位
置信息，对舵机摇臂位置做最新调整。所以说数码舵机的反应速度比模拟舵机快，而不是驱动电
机转速比模拟舵机快。



数字舵机的无反应区范围为何比模拟舵机小
　　根据上述对模拟舵机的分析可知模拟舵机约 20ms 才能做一次新调整。而数码舵机以更高频率的 PWM 驱动电机。
PWM 频率的加快使电机的启动/停止，加/减速更柔和，更平滑，更有效的为电机提供启动所需的转矩。
就象是汽车获得了更小的油门控制区间，则启动/停止，加/减速性能更好。所以数码舵机的无反应区比模拟舵机小。