什么是伺服，伺服電機如何工作？
伺服電機在各個行業(yè)的各種運動控制應用中都很常見，但這些設備是什么，以及它們與標準交流或直流電機有何不同？
伺服電機是一種運動控制裝置，其外觀與普通的直流/交流電機和驅動裝置非常相似。然而，仔細觀察，伺服電機在運動技術中起著特殊的作用，并且伺服驅動器比大多數(shù)簡單的電機驅動器需要更復雜的連接和編程。
那么這些電機是什么？它們有何特別之處？
簡而言之，伺服電機是一種標準電機，其反饋裝置內置在電機或輸出軸上。匹配的放大器或驅動板將自動使用該反饋裝置來確定運動的準確性。
工業(yè)VS。愛好伺服電機
首先，讓我們先了解一下用于工業(yè)應用的伺服系統(tǒng)與用于微控制器和遠程控制 (R/C) 項目等項目的伺服系統(tǒng)之間的一些區(qū)別。基本定義相同，但控制算法、驅動技術和反饋單元有很大不同。
圖 1.兩個小型伺服電機，一個是業(yè)余愛好級（左），另一個（右）具有類似的組件，但使用集成驅動器模塊上內置的旋轉編碼器。圖片由作者提供
業(yè)余愛好級伺服電機通常是由來自微控制器的脈沖串或 PWM 信號供電的 3 線設備。這并不與信號的 0-100% 占空比直接相關，就好像我們正在驅動電機速度一樣，而是反映了最小/最大速度范圍或固定角度目標位置之間的相對設定點。
在電機內部，一個小型集成電路 (IC) 將來自控制器的輸入信號與參考反饋設備進行比較。對于小型伺服系統(tǒng)，這通常是一個小型電位器，在轉動時會改變其輸出電壓。該 IC 向小型標準直流電機輸出電壓，當電機轉動時，電位器也會轉動，從而創(chuàng)建即時反饋回路。IC 可以根據(jù)電機與目標位置的匹配程度來增加或減少電機的輸出信號。
如果此策略使人想起 PID 循環(huán)、超調和穩(wěn)定時間的概念，那么您是對的！這是伺服電機相對于標準電機驅動器的明顯優(yōu)勢（和復雜性）之一。
事實上，Arduino 或 R/C 項目上的愛好電機可能不依賴 PID 循環(huán)，除非它是更高級的算法。
工業(yè)伺服電機
盡管這些電機的尺寸和規(guī)模通常較大，但總體概念非常相似。標準直流或交流電機由伺服放大器（驅動器）提供電壓。反饋裝置對于確保電機實際達到目標位置或速度仍然至關重要。
在工業(yè)運動范圍內，反饋很可能是編碼器，無論是增量式還是絕對式。
圖 2.小型工業(yè)級直流伺服電機。圖片由作者提供
舵機有什么用？
伺服系統(tǒng)可以在一些常見場景中為機器提供運動：
固定角度設定點
這在機器人手臂關節(jié)的范圍內很容易識別。任何 6 軸或 SCARA 機器人都將被命令到達某個位置，并且必須以盡可能高的扭矩快速到達該位置，并且距離目標位置幾乎沒有超調。顯然，它也必須以令人難以置信的精確度到達固定位置。
這些要求迫使在每個關節(jié)處使用嚴格控制的伺服電機，并精心選擇正確的扭矩設置和非常精確的編碼器。許多機器人使用絕對編碼器，但如果使用增量編碼器，電池模塊對于在電源循環(huán)期間保持位置至關重要。
預設運動路徑
運動路徑，也稱為運動曲線，是電機最有趣的用途之一。運動曲線比簡單的“連接點”要復雜得多。與機器人教學非常相似，路徑中的每個運動都必須遵循特定的加速度、減速度、最高速度，甚至端點之間的速度變化。
在純機械系統(tǒng)中，凸輪是不規(guī)則運動輪廓的驅動器，由固定 RPM 的旋轉盤的凸角決定，轉換為線性運動。伺服系統(tǒng)可以取代編輯基于凸輪的運動系統(tǒng)的摩擦、維護和困難。
目標轉速
盡管比運動分析更基礎，但無論負載條件如何，確保電機實際上以目標 RPM 運行都非常重要。在普通的 VFD 或電機驅動器中，電壓的發(fā)送沒有反饋。電機可能正在旋轉，但隨著負載的增加，可能會以錯誤的速度旋轉。驅動器上甚至可能沒有連接電機！
在目標 RPM 情況下，可以調整電壓或頻率以補償外部因素的許多影響。如果電機要以低得多的速度運行，但我們想要更高的精度，則可以采用齒輪傳動來改變電機：編碼器速度的比率，同時也可以減少負載機械慣性的影響。
線性執(zhí)行器伺服系統(tǒng)
就像機械系統(tǒng)中凸輪將旋轉轉換為線性運動一樣，線性執(zhí)行器依靠絲杠或滾珠絲杠或其他機構將電機能量轉換為基于反饋的線性輪廓。
許多線性系統(tǒng)使用磁條編碼器或磁致伸縮位置傳感器來測量執(zhí)行器的精確延伸，但電機上的編碼器也可以正常工作。編碼器的缺點是脈沖序列比傳感器的簡單 4-20 mA 輸出更難轉換。輸入內置編碼器反饋的伺服電機驅動器的優(yōu)勢！
圖 3.伺服驅動器板（帶有真實的戰(zhàn)斗損壞），帶有電機和電源、編碼器反饋、信號和網絡的連接。圖片由作者提供
如何使用伺服系統(tǒng)？
這是一個重要的問題，但不幸的是，由于制造商多種多樣，很難輕易回答。大多數(shù)伺服系統(tǒng)使用 OEM 提供的配置軟件來設置驅動器，將其與電機相匹配，并確定將接受哪些控制信號以及電機將如何驅動。
最后，這比簡單的 VFD 或直流電機驅動器要復雜一些，但有限控制和有關系統(tǒng)精度的知識所帶來的壓倒性優(yōu)勢可以大大超過這些更先進的運動控制設備的成本。