伺服电机是什么意思？伺服电机原理详解

伺服表示一种误差感测反馈控制，用于校正系统的性能，它通常还需要一个复杂的控制器，是专门设计用于伺服电机的专用模块。

伺服电机是允许精确控制角位置的直流电机，它们是直流电机，其速度可以通过齿轮缓慢降低。伺服电机通常具有从90°到180°的旋转截止。少数伺服电机可以为360°或更高的旋转截止。但伺服电机不会持续旋转，它们的旋转限制在固定角度之间。

按照不同的应用原理，伺服电机可以分为交流伺服电机和直流伺服电机两种类型。

结构组成

伺服电机由四部分组成：普通直流电机、齿轮减速单元、位置传感装置和控制电路。其中，直流电机与齿轮单元相连，齿轮单元向位置传感器提供反馈，位置传感器主要是电位计。在齿轮箱中，电机的输出通过伺服花键传递到伺服臂。对于标准伺服电机来说，齿轮通常由塑料制成，而对于大功率伺服电机，齿轮由金属制成。

伺服电机由三根电线组成 - 一根接地的黑线，一根连接控制单元的白/黄线，以及一根连接电源的红线。

伺服电机的功能是，接收用来表示伺服轴所需输出位置的控制信号，并为其直流电机供电，直到其轴转到该位置。

伺服电机使用位置传感装置计算出轴的旋转位置，从而知道电机必须以何种方式旋转才能将轴移动到指定位置。轴通常不会像直流电机那样自由旋转，且只能旋转200度。

从转子的位置，产生旋转磁场以便有效地产生扭矩，电流在绕组中流动以产生旋转磁场，并且轴传递电机输出功率，这样负载通过传输机构驱动。高性能稀土或其它永久磁铁位于轴的外部。光学编码器始终观察转数和轴的位置。

工作过程

如上所述，伺服电机由直流电机、齿轮系统、位置传感器和控制电路组成。直流电机由电池供电并以高速和低扭矩运行。连接到直流电机的齿轮和轴组件将此速度降低到足够的速度和更高的扭矩。位置传感器根据轴的确定位置感测轴的位置，并将信息馈送到控制电路。

此外，控制电路相应地解码来自位置传感器的信号并将电机的实际位置与期望位置进行比较，并相应地控制直流电机的旋转方向以获得所需位置。伺服电机一般需要4.8V到6V的直流电源。

控制方法

伺服电机通过使用脉冲宽度调制技术控制其位置来控制，施加到电机的脉冲宽度是变化的，并发送固定的时间量。

其中，脉冲宽度决定了伺服电机的角位置。例如，1ms的脉冲宽度引起0度角位置，而2ms脉冲宽度引起180度角宽度。

主要优点：

• 如果在电机上负载较重，则驱动器会在尝试旋转电机时增加电机线圈的电流，从而不存在失步情况。
• 可以进行高速运转。

主要缺点：

• 由于伺服电机试图根据命令脉冲旋转，但稍有滞后，因此不适用于旋转的精确控制。
• 成本较高。
• 停止时，电机转子继续来回运动一个脉冲，不适合防振。

应用电路

典型的伺服电机应用电路如下图所示，在该电路中，电机有三个输入：VCC、接地和一个周期性方波信号。方波的脉冲宽度决定了伺服电机的速度和方向。在本示例中，只需要改变方向，让设备向前、向后、向左和向右旋转即可。

如果脉冲宽度在一定时间范围内，电机将按顺时针方向驱动。如果脉冲宽度超过该时间范围，电机将以逆时针方向驱动。中间时间帧可以通过电机内部的内置电位器进行调整。

主要应用

伺服电机用于需要速度快速变化且电机不会过热的应用，以下是比较常见的七个应用：

• 在工业中，它们用于机床、包装、工厂自动化、物料搬运、印刷转换、装配线以及许多其他要求苛刻的应用机器人、CNC机械或自动化制造。
• 用于无线电控制的飞机，以控制电梯的定位和移动。
• 由于开关顺畅、定位准确，它们被用于机器人中。
• 在航空航天工业领域，使用它们来维护液压系统中的液压油。
• 用于许多无线电遥控玩具。
• 用于DVD或蓝光光盘播放器等电子设备，以扩展或重放光盘托盘。
• 被用于汽车以保持车辆的速度。

步进电机与伺服电机的区别

• 步进电机具有大量磁极、由永磁体或电流产生的磁对。伺服电机的极数很少，每个极点都为电机轴提供了一个自然停止点。
• 步进电机在低速时的扭矩大于相同尺寸的伺服电机。
• 步进电机的运行与脉冲发生器输出的指令脉冲信号同步。相反，伺服电机操作滞后于命令脉冲。

总结

简单来说，伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，而且可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，可以用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等优势特点，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

伺服电机的显著特点是，当信号电压为零时无自转现象，并且转速随着转矩的增加而匀速下降。