伺服電機是旋轉致動(dòng)器或線(xiàn)性致動(dòng)器，可精確控制角度或線(xiàn)性位置，速度和加速度。[1]它包括一個(gè)與傳感器耦合的用于位置反饋的合適電動(dòng)機。它還需要相對復雜的控制器，通常是專(zhuān)門(mén)設計用于伺服電機的專(zhuān)用模塊。

伺服電動(dòng)機不是特定的電動(dòng)機類(lèi)別，盡管術(shù)語(yǔ)“伺服電動(dòng)機”通常用于指代適用于閉環(huán)控制系統的電動(dòng)機。

伺服電機用于機器人，數控機械或自動(dòng)化制造等應用。

原理

伺服電機是一種閉環(huán)伺服機構，它使用位置反饋來(lái)控制其運動(dòng)和最終位置。控制輸入??是代表輸出軸指令位置的信號(模擬或數字)。

電機與某種類(lèi)型的編碼器配對以提供位置和速度反饋。在最簡(jiǎn)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(huì )生成一個(gè)錯誤信號，然后根據需要將電動(dòng)機沿任一方向旋轉，以將輸出軸移至適當的位置。隨著(zhù)位置的接近，誤差信號減小到零，并且電動(dòng)機停止。

最簡(jiǎn)單的伺服電動(dòng)機通過(guò)電位計和電動(dòng)機的爆炸聲控制使用僅位置感測;電機始終以全速旋轉(或停止)。這種類(lèi)型的伺服電機并未廣泛用于工業(yè)運動(dòng)控制中，但它構成了用于無(wú)線(xiàn)電控制模型的簡(jiǎn)單且廉價(jià)的伺服器的基礎。

更復雜的伺服電機使用光學(xué)旋轉編碼器來(lái)測量輸出軸的速度[2]，并使用變速驅動(dòng)器來(lái)控制電機速度。[3]這兩種增強功能通常與PID控制算法結合使用，可以使伺服電動(dòng)機更快，更精確地到達其指令位置，而不會(huì )出現過(guò)沖現象。

伺服電動(dòng)機與步進(jìn)電動(dòng)機

伺服電機通常用作步進(jìn)電機的高性能替代產(chǎn)品。步進(jìn)電機具有內置的輸出步長(cháng)，因此具有控制位置的固有能力。這通常允許它們用作開(kāi)環(huán)位置控制，而無(wú)需任何反饋編碼器，因為它們的驅動(dòng)信號指定了旋轉運動(dòng)的步數，但是為此，控制器需要“知道”步進(jìn)電機的位置開(kāi)機。

因此，在第一次加電時(shí)，控制器將必須啟動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機并將其旋轉到已知位置，例如直到啟動(dòng)終端限位開(kāi)關(guān)為止。在打開(kāi)噴墨打印機時(shí)可以觀(guān)察到這一點(diǎn);控制器會(huì )將噴墨打印機的托架向左和向右移動(dòng)以建立最終位置。無(wú)論通電時(shí)的初始位置如何，伺服電動(dòng)機都將立即旋轉至控制器指示的任何角度。

步進(jìn)電機缺乏反饋會(huì )限制其性能，因為步進(jìn)電機只能驅動(dòng)負載能力范圍內的負載，否則，負載下的失步可能會(huì )導致定位錯誤，并且系統可能必須重新啟動(dòng)或重新校準。伺服電機的編碼器和控制器是額外的成本，但是相對于基本電機的容量，它們可以?xún)?yōu)化整個(gè)系統的性能(對于所有速度，功率和精度)。在大型系統中，強勁的電機占系統成本的比例越來(lái)越大，伺服電機具有優(yōu)勢。

近年來(lái)，閉環(huán)步進(jìn)電機越來(lái)越受歡迎。它們的作用類(lèi)似于伺服電動(dòng)機，但是在軟件控制上有一些差異，以獲得平穩的運動(dòng)。閉環(huán)步進(jìn)電機的主要優(yōu)點(diǎn)是其成本相對較低。也無(wú)需在閉環(huán)步進(jìn)系統上調整PID控制器。

諸如激光切割機之類(lèi)的許多應用可以提供兩個(gè)范圍，一個(gè)是步進(jìn)電機的低價(jià)范圍，另一個(gè)是使用伺服電機的高性能范圍。

編碼器

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

簡(jiǎn)單的伺服電機可以使用電阻式電位器作為其位置編碼器。 這些僅在最簡(jiǎn)單和最便宜的級別上使用，并且與步進(jìn)電機競爭激烈。 它們在電位計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。

現代伺服電機使用絕對值或增量值的 旋轉編碼器 。 絕對編碼器可以在上電時(shí)確定其位置，但更為復雜和昂貴。 增量式編碼器更簡(jiǎn)單，更便宜且工作速度更快。 像步進(jìn)電機這樣的增量系統通常將其固有的測量旋轉間隔的能力與簡(jiǎn)單的零位傳感器結合起來(lái)，以在啟動(dòng)時(shí)設置其位置。

有時(shí)使用帶有單獨的外部線(xiàn)性編碼器的電機代替伺服電機。 [9]這些電動(dòng)機+線(xiàn)性編碼器系統避免了電動(dòng)機和線(xiàn)性滑架之間傳動(dòng)系統的不準確性，但是由于它們不再是預先包裝的出廠(chǎng)制造系統，因此其設計變得更加復雜。

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

伺服電機的驅動(dòng)模塊是標準的工業(yè)組件。 他們的設計是電力電子技術(shù)的一個(gè)分支，通常基于三相MOSFET或IGBT H橋 。 這些標準模塊接受單個(gè)方向和脈沖計數(旋轉距離)作為輸入。 它們還可能包括超溫監控，超扭矩和失速檢測功能。 [12]由于編碼器的類(lèi)型，齒輪減速比和整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)特性是特定于應用程序的，因此將整個(gè)控制器作為現成的模塊生產(chǎn)會(huì )更加困難，因此通常將其作為主控制器的一部分來(lái)實(shí)現。了解更多電機專(zhuān)業(yè)知識及技巧，可加入qq群136274082，業(yè)內專(zhuān)業(yè)老師傅解答。