伺服電機的工作原理、特點及電路圖

一、什么是伺服電機?

伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。它能夠?qū)㈦妷?a target="_blank">信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象，從而實現(xiàn)對機械運動的精確控制。伺服電機主要由電機本體、驅(qū)動器和控制電路等部分組成，其中電機本體是實現(xiàn)機械運動的執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動器負責(zé)接收控制信號并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，控制電路則負責(zé)生成控制信號并監(jiān)控電機的運行狀態(tài)。

伺服電機可以控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

伺服電機廣泛應(yīng)用于各種需要精準控制運動的場合，如工業(yè)自動化、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，伺服電機被用于驅(qū)動各種自動化設(shè)備，如傳送帶、包裝機械、印刷設(shè)備等。在機器人領(lǐng)域，伺服電機是機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的核心部件，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的靈活運動和準確定位。在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，伺服電機被用于驅(qū)動各種精密醫(yī)療設(shè)備，如手術(shù)機器人、醫(yī)療影像設(shè)備等。

二、伺服電機的工作原理

伺服電機被定義為能夠精確控制位置(角度)、速度和加速度的執(zhí)行器。典型的伺服電機由三個主要部件組成：直流電機、控制電路和反饋裝置。

直流電機為伺服系統(tǒng)提供動力，并連接到齒輪，以降低速度并增加輸出軸上的扭矩。

輸出軸是伺服器中旋轉(zhuǎn)并移動負載的部分。

控制電路負責(zé)接收和處理來自外部控制器的輸入信號。這些信號告訴伺服系統(tǒng)要移動到什么位置、速度或方向?？刂齐娐愤€向直流電機發(fā)送電力以驅(qū)動它。

反饋裝置通常是測量輸出軸當(dāng)前位置的電位器或編碼器。

反饋設(shè)備將位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回控制電路，然后控制電路調(diào)整直流電機的功率，使實際位置與輸入信號中的所需位置對齊。

控制電路和反饋裝置之間的反饋回路保證舵機能夠準確地運動到并保持在其運動范圍內(nèi)的任何位置。

三、伺服電機的特點

伺服電機(Servo Motor)是一種能夠精確控制位置、速度和加速度的電機系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于需要高精度定位、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性能的工業(yè)自動化、機器人技術(shù)、精密加工設(shè)備等領(lǐng)域。以下是關(guān)于伺服電機的特點介紹：

高精度定位：伺服電機系統(tǒng)通常配備高分辨率的編碼器或解析器，用于實時監(jiān)測電機的位置和速度。這使得伺服電機能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的位置控制，滿足各種高精度應(yīng)用的需求。

快速響應(yīng)：伺服電機具有出色的動態(tài)性能，能夠快速響應(yīng)控制信號的變化。當(dāng)接收到控制指令時，伺服電機能夠迅速調(diào)整其轉(zhuǎn)速和位置，以滿足系統(tǒng)對速度和位置控制的需求。

高穩(wěn)定性：伺服電機系統(tǒng)通常使用閉環(huán)控制，這意味著電機能夠不斷地監(jiān)測其實際位置和速度，并與目標值進行比較和調(diào)整。這種閉環(huán)控制使得伺服電機具有很高的穩(wěn)定性，能夠在各種負載和環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能。

寬調(diào)速范圍：伺服電機通常具有較寬的調(diào)速范圍，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。無論是需要高速旋轉(zhuǎn)還是低速精密定位的場合，伺服電機都能夠提供適當(dāng)?shù)乃俣群臀恢每刂啤?/p>

大扭矩輸出：伺服電機能夠輸出較大的扭矩，特別是在低速時。這使得伺服電機在需要高扭矩輸出的應(yīng)用場合中具有很大的優(yōu)勢，如機器人手臂、精密加工設(shè)備等。

良好的可靠性：伺服電機采用高質(zhì)量的材料和先進的制造工藝，具有很高的可靠性。同時，伺服電機系統(tǒng)通常配備有各種保護和故障診斷功能，以確保在出現(xiàn)異常情況時能夠及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

易于集成：伺服電機系統(tǒng)通常具有標準化的接口和通信協(xié)議，使得它們易于與其他設(shè)備和系統(tǒng)進行集成。這有助于簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

低維護成本：由于伺服電機系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，因此它們的維護成本相對較低。此外，許多伺服電機系統(tǒng)還配備了遠程監(jiān)控和診斷功能，可以進一步降低維護成本和停機時間。

總之，伺服電機以其高精度定位、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性、寬調(diào)速范圍、大扭矩輸出、良好的可靠性、易于集成和低維護成本等特點，在各種需要高精度控制的應(yīng)用場合中發(fā)揮著重要作用。

四、如何控制伺服電機?

通過向伺服信號線發(fā)送 PWM(脈寬調(diào)制)信號來控制伺服電機。 PWM 是一種快速打開和關(guān)閉信號以產(chǎn)生不同寬度脈沖的技術(shù)。脈沖寬度決定輸出軸的位置。

例如，當(dāng)您發(fā)送脈沖寬度為 1.5 毫秒 (ms) 的 PWM 信號時，舵機將移至中立位置(90 度)。

當(dāng)發(fā)送脈沖寬度為1ms的PWM信號時，舵機將移動到最小位置(0度)。當(dāng)發(fā)送脈沖寬度為2ms的PWM信號時，舵機將移動到最大位置(180度)。

PWM 信號的頻率為 50 Hz，這意味著它每 20 ms 重復(fù)一次。在此期間，脈沖寬度可以在 1 ms 到 2 ms 之間變化。

五、伺服電機驅(qū)動電路圖

在本教程中，我們將制作一個“伺服電機驅(qū)動電路”。伺服電機是一種小型電子元件，有助于以精確的精度旋轉(zhuǎn)或推動機器或設(shè)備的任何部分。與通用直流電機不同，我們可以控制伺服電機的角度，因此用途廣泛。這些電機用于精確控制角度或線性位置、速度和加速度。也稱為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器或線性執(zhí)行器。伺服電機可能由用于位置反饋的傳感器和用于位置控制的信號輸入組成。這些電機有不同的尺寸和額定電壓。伺服電機控制器電路用于控制伺服電機的位置，這里我們構(gòu)建了用于亞微型伺服電機的伺服電機驅(qū)動電路。

該電路旨在通過使用不同占空比的 PWM 脈沖來提供 PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號輸出。我們可以通過使用微控制器內(nèi)部的 PWM 模塊或定時器來控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)和位置。這里我們使用定時器 IC 555 來生成 PWM。一旦觸發(fā) PWM 模塊 (IC 555)，所選 PWM 通道引腳就會變高(邏輯 1)。達到所需寬度后，它將變低(邏輯 0)。因此，觸發(fā) PWM 后，必須啟動一個延遲特定 ms 的定時器，并等待定時器溢出。

每個伺服電機都有三個端子，一個用于正極電源，另一個用于接地電源，一個用于位置控制信號輸入。

為了驅(qū)動電機，我們首先需要 PWM 脈沖，這就是我們使用 555 定時器 IC 的原因。而晶體管在電路中的作用是放大信號。要了解基于 PWM 信號的伺服旋轉(zhuǎn)，請考慮周期為 20ms、高電平脈沖持續(xù)時間為 1ms(最小值)和 2ms(最大值)的信號。根據(jù)高脈沖信號的持續(xù)時間，伺服電機的旋轉(zhuǎn)會發(fā)生變化。

正如我們在電路中看到的，定時器 IC 555 被用作非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。它在輸出端產(chǎn)生具有兩種不同脈沖持續(xù)時間的脈沖，我們知道555中輸出脈沖的時間取決于定時電阻和定時電容。對于輸出，我們將 Vcc 線連接到 Vcc、GND 與地，并將 PWM 線連接到晶體管的集電極側(cè)。此外，我們在觸發(fā)器和閾值引腳處連接開關(guān)。

所以，當(dāng)我們施加電壓并按下任何開關(guān)時。 IC 被觸發(fā)，閾值引腳將施加的電壓與 2/3 Vcc 的參考電壓進行比較。當(dāng)我們按下開關(guān) SW1 時，IC 會產(chǎn)生一個長持續(xù)時間的高脈沖。該高脈沖時間將等于 0.693*(R1 + R2) C1，低脈沖時間將等于 0.693R2C1。在這種情況下，舵機以正確的方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們按下開關(guān) SW2 時，該 IC 會產(chǎn)生一個短時高脈沖。該高脈沖時間將等于 0.693(R1 + R3) C1，低脈沖時間將等于 0.693R3C1。在這種情況下，舵機向左方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)輸出脈沖占空比，伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向和速度會發(fā)生變化。