伺服電機(jī)是旋轉(zhuǎn)致動器或線性致動器，可精確控制角度或線性位置，速度和加速度。[1]它包括一個與傳感器耦合的用于位置反饋的合適電動機(jī)。它還需要相對復(fù)雜的控制器，通常是專門設(shè)計(jì)用于伺服電機(jī)的專用模塊。

伺服電動機(jī)不是特定的電動機(jī)類別，盡管術(shù)語“伺服電動機(jī)”通常用于指代適用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的電動機(jī)。

伺服電機(jī)用于機(jī)器人，數(shù)控機(jī)械或自動化制造等應(yīng)用。

原理

伺服電機(jī)是一種閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，它使用位置反饋來控制其運(yùn)動和最終位置。控制輸入??是代表輸出軸指令位置的信號(模擬或數(shù)字)。

電機(jī)與某種類型的編碼器配對以提供位置和速度反饋。在最簡單的情況下，僅測量位置。將測量的輸出位置與命令位置(控制器的外部輸入)進(jìn)行比較。如果輸出位置與要求的位置不同，則會生成一個錯誤信號，然后根據(jù)需要將電動機(jī)沿任一方向旋轉(zhuǎn)，以將輸出軸移至適當(dāng)?shù)奈恢谩ｋS著位置的接近，誤差信號減小到零，并且電動機(jī)停止。

最簡單的伺服電動機(jī)通過電位計(jì)和電動機(jī)的爆炸聲控制使用僅位置感測;電機(jī)始終以全速旋轉(zhuǎn)(或停止)。這種類型的伺服電機(jī)并未廣泛用于工業(yè)運(yùn)動控制中，但它構(gòu)成了用于無線電控制模型的簡單且廉價的伺服器的基礎(chǔ)。

更復(fù)雜的伺服電機(jī)使用光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器來測量輸出軸的速度[2]，并使用變速驅(qū)動器來控制電機(jī)速度。[3]這兩種增強(qiáng)功能通常與PID控制算法結(jié)合使用，可以使伺服電動機(jī)更快，更精確地到達(dá)其指令位置，而不會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

伺服電動機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)

伺服電機(jī)通常用作步進(jìn)電機(jī)的高性能替代產(chǎn)品。步進(jìn)電機(jī)具有內(nèi)置的輸出步長，因此具有控制位置的固有能力。這通常允許它們用作開環(huán)位置控制，而無需任何反饋編碼器，因?yàn)樗鼈兊尿?qū)動信號指定了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的步數(shù)，但是為此，控制器需要“知道”步進(jìn)電機(jī)的位置開機(jī)。

因此，在第一次加電時，控制器將必須啟動步進(jìn)電動機(jī)并將其旋轉(zhuǎn)到已知位置，例如直到啟動終端限位開關(guān)為止。在打開噴墨打印機(jī)時可以觀察到這一點(diǎn);控制器會將噴墨打印機(jī)的托架向左和向右移動以建立最終位置。無論通電時的初始位置如何，伺服電動機(jī)都將立即旋轉(zhuǎn)至控制器指示的任何角度。

步進(jìn)電機(jī)缺乏反饋會限制其性能，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)只能驅(qū)動負(fù)載能力范圍內(nèi)的負(fù)載，否則，負(fù)載下的失步可能會導(dǎo)致定位錯誤，并且系統(tǒng)可能必須重新啟動或重新校準(zhǔn)。伺服電機(jī)的編碼器和控制器是額外的成本，但是相對于基本電機(jī)的容量，它們可以優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能(對于所有速度，功率和精度)。在大型系統(tǒng)中，強(qiáng)勁的電機(jī)占系統(tǒng)成本的比例越來越大，伺服電機(jī)具有優(yōu)勢。

近年來，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)越來越受歡迎。它們的作用類似于伺服電動機(jī)，但是在軟件控制上有一些差異，以獲得平穩(wěn)的運(yùn)動。閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是其成本相對較低。也無需在閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)上調(diào)整PID控制器。

諸如激光切割機(jī)之類的許多應(yīng)用可以提供兩個范圍，一個是步進(jìn)電機(jī)的低價范圍，另一個是使用伺服電機(jī)的高性能范圍。

編碼器

第一批伺服電機(jī)是用同步器作為編碼器開發(fā)的。 [7]在第二次世界大戰(zhàn)期間 ，這些系統(tǒng)在雷達(dá)和高射炮的開發(fā)方面已經(jīng)做了大量工作。

簡單的伺服電機(jī)可以使用電阻式電位器作為其位置編碼器。 這些僅在最簡單和最便宜的級別上使用，并且與步進(jìn)電機(jī)競爭激烈。 它們在電位計(jì)軌道中遭受磨損和電噪聲的困擾。 盡管可以對其位置信號進(jìn)行電微分以獲得速度信號，但可以利用這種速度信號的PID控制器通常需要更精確的編碼器。

現(xiàn)代伺服電機(jī)使用絕對值或增量值的 旋轉(zhuǎn)編碼器 。 絕對編碼器可以在上電時確定其位置，但更為復(fù)雜和昂貴。 增量式編碼器更簡單，更便宜且工作速度更快。 像步進(jìn)電機(jī)這樣的增量系統(tǒng)通常將其固有的測量旋轉(zhuǎn)間隔的能力與簡單的零位傳感器結(jié)合起來，以在啟動時設(shè)置其位置。

有時使用帶有單獨(dú)的外部線性編碼器的電機(jī)代替伺服電機(jī)。 [9]這些電動機(jī)+線性編碼器系統(tǒng)避免了電動機(jī)和線性滑架之間傳動系統(tǒng)的不準(zhǔn)確性，但是由于它們不再是預(yù)先包裝的出廠制造系統(tǒng)，因此其設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

電動機(jī)的類型對于伺服電動機(jī)并不重要，可以使用不同的類型。 由于其簡單性和低成本，最簡單地使用了有刷永磁直流電動機(jī)。 小型工業(yè)伺服電動機(jī)通常是電子換向的無刷電動機(jī)。 [10]對于大型工業(yè)伺服電機(jī)，通常使用交流感應(yīng)電機(jī) ，通常使用變頻驅(qū)動器以控制其速度。 為了在緊湊的包裝中實(shí)現(xiàn)出色的性能，使用了具有永磁場的無刷交流電動機(jī)，這實(shí)際上是大型無刷直流電動機(jī) 。

伺服電機(jī)的驅(qū)動模塊是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)組件。 他們的設(shè)計(jì)是電力電子技術(shù)的一個分支，通常基于三相MOSFET或IGBT H橋 。 這些標(biāo)準(zhǔn)模塊接受單個方向和脈沖計(jì)數(shù)(旋轉(zhuǎn)距離)作為輸入。 它們還可能包括超溫監(jiān)控，超扭矩和失速檢測功能。 [12]由于編碼器的類型，齒輪減速比和整個系統(tǒng)的動態(tài)特性是特定于應(yīng)用程序的，因此將整個控制器作為現(xiàn)成的模塊生產(chǎn)會更加困難，因此通常將其作為主控制器的一部分來實(shí)現(xiàn)。了解更多電機(jī)專業(yè)知識及技巧，可加入qq群136274082，業(yè)內(nèi)專業(yè)老師傅解答。