什么是伺服，伺服电机如何工作？

伺服电机在各个行业的各种运动控制应用中都很常见，但这些设备是什么，以及它们与标准交流或直流电机有何不同？

伺服电机是一种运动控制装置，其外观与普通的直流/交流电机和驱动装置非常相似。然而，仔细观察，伺服电机在运动技术中起着特殊的作用，并且伺服驱动器比大多数简单的电机驱动器需要更复杂的连接和编程。

那么这些电机是什么？它们有何特别之处？

简而言之，伺服电机是一种标准电机，其反馈装置内置在电机或输出轴上。匹配的放大器或驱动板将自动使用该反馈装置来确定运动的准确性。

工业VS。爱好伺服电机

首先，让我们先了解一下用于工业应用的伺服系统与用于微控制器和远程控制 (R/C) 项目等项目的伺服系统之间的一些区别。基本定义相同，但控制算法、驱动技术和反馈单元有很大不同。

图 1.两个小型伺服电机，一个是业余爱好级（左），另一个（右）具有类似的组件，但使用集成驱动器模块上内置的旋转编码器。图片由作者提供

业余爱好级伺服电机通常是由来自微控制器的脉冲串或 PWM 信号供电的 3 线设备。这并不与信号的 0-100% 占空比直接相关，就好像我们正在驱动电机速度一样，而是反映了最小/最大速度范围或固定角度目标位置之间的相对设定点。

在电机内部，一个小型集成电路 (IC) 将来自控制器的输入信号与参考反馈设备进行比较。对于小型伺服系统，这通常是一个小型电位器，在转动时会改变其输出电压。该 IC 向小型标准直流电机输出电压，当电机转动时，电位器也会转动，从而创建即时反馈回路。IC 可以根据电机与目标位置的匹配程度来增加或减少电机的输出信号。

如果此策略使人想起 PID 循环、超调和稳定时间的概念，那么您是对的！这是伺服电机相对于标准电机驱动器的明显优势（和复杂性）之一。

事实上，Arduino 或 R/C 项目上的爱好电机可能不依赖 PID 循环，除非它是更高级的算法。

工业伺服电机

尽管这些电机的尺寸和规模通常较大，但总体概念非常相似。标准直流或交流电机由伺服放大器（驱动器）提供电压。反馈装置对于确保电机实际达到目标位置或速度仍然至关重要。

在工业运动范围内，反馈很可能是编码器，无论是增量式还是绝对式。

图 2.小型工业级直流伺服电机。图片由作者提供

舵机有什么用？

伺服系统可以在一些常见场景中为机器提供运动：

固定角度设定点

这在机器人手臂关节的范围内很容易识别。任何 6 轴或 SCARA 机器人都将被命令到达某个位置，并且必须以尽可能高的扭矩快速到达该位置，并且距离目标位置几乎没有超调。显然，它也必须以令人难以置信的精确度到达固定位置。

这些要求迫使在每个关节处使用严格控制的伺服电机，并精心选择正确的扭矩设置和非常精确的编码器。许多机器人使用绝对编码器，但如果使用增量编码器，电池模块对于在电源循环期间保持位置至关重要。

预设运动路径

运动路径，也称为运动曲线，是电机最有趣的用途之一。运动曲线比简单的“连接点”要复杂得多。与机器人教学非常相似，路径中的每个运动都必须遵循特定的加速度、减速度、最高速度，甚至端点之间的速度变化。

在纯机械系统中，凸轮是不规则运动轮廓的驱动器，由固定 RPM 的旋转盘的凸角决定，转换为线性运动。伺服系统可以取代编辑基于凸轮的运动系统的摩擦、维护和困难。

目标转速

尽管比运动分析更基础，但无论负载条件如何，确保电机实际上以目标 RPM 运行都非常重要。在普通的 VFD 或电机驱动器中，电压的发送没有反馈。电机可能正在旋转，但随着负载的增加，可能会以错误的速度旋转。驱动器上甚至可能没有连接电机！

在目标 RPM 情况下，可以调整电压或频率以补偿外部因素的许多影响。如果电机要以低得多的速度运行，但我们想要更高的精度，则可以采用齿轮传动来改变电机：编码器速度的比率，同时也可以减少负载机械惯性的影响。

线性执行器伺服系统

就像机械系统中凸轮将旋转转换为线性运动一样，线性执行器依靠丝杠或滚珠丝杠或其他机构将电机能量转换为基于反馈的线性轮廓。

许多线性系统使用磁条编码器或磁致伸缩位置传感器来测量执行器的精确延伸，但电机上的编码器也可以正常工作。编码器的缺点是脉冲序列比传感器的简单 4-20 mA 输出更难转换。输入内置编码器反馈的伺服电机驱动器的优势！

图 3.伺服驱动器板（带有真实的战斗损坏），带有电机和电源、编码器反馈、信号和网络的连接。图片由作者提供

如何使用伺服系统？

这是一个重要的问题，但不幸的是，由于制造商多种多样，很难轻易回答。大多数伺服系统使用 OEM 提供的配置软件来设置驱动器，将其与电机相匹配，并确定将接受哪些控制信号以及电机将如何驱动。

最后，这比简单的 VFD 或直流电机驱动器要复杂一些，但有限控制和有关系统精度的知识所带来的压倒性优势可以大大超过这些更先进的运动控制设备的成本。