什么是伺服電機(jī)？工作原理與解析

伺服電機(jī)(英文：servomotor)，在機(jī)器人、制造設(shè)備以及汽車等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

初次接觸時(shí)，其工作原理或許看似復(fù)雜。本文將采用循序漸進(jìn)的方式，系統(tǒng)闡述伺服電機(jī)的基本工作原理、構(gòu)成以及應(yīng)用。

伺服電機(jī)的工作原理

什么是伺服電機(jī)?

伺服電機(jī)，通常是指一種用于執(zhí)行位置控制任務(wù)的電動(dòng)機(jī)。

它的特點(diǎn)是能夠以非常高的精度控制旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速，這要?dú)w功于伺服電機(jī)的特殊控制系統(tǒng)。

下面將闡述伺服電機(jī)的基本工作流程。

基本工作流程

伺服電機(jī)的運(yùn)行依托于 “控制回路” 或 “反饋回路” 系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要涵蓋以下四個(gè)步驟。

指令輸入 ：在該環(huán)節(jié)，向系統(tǒng)下達(dá)“希望執(zhí)行何種操作”的指令。比如，可以下達(dá)指令讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)到特定角度。

控制 ：基于輸入的指令，由控制算法決定電機(jī)如何運(yùn)行。

輸出 ：執(zhí)行控制單元所決定的動(dòng)作。電機(jī)在這一步驟中進(jìn)行實(shí)際的物理運(yùn)轉(zhuǎn)

反饋 ：測(cè)量電機(jī)的實(shí)際位置和速度等參數(shù)，判斷其是否與指令要求相符。該信息會(huì)反饋至下一個(gè)控制單元，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)這個(gè)反饋回路高速且連續(xù)的運(yùn)行，伺服電機(jī)得以實(shí)現(xiàn)高精度、高響應(yīng)性運(yùn)轉(zhuǎn)。

伺服電機(jī)的構(gòu)成

下面對(duì)伺服電機(jī)的基本構(gòu)成進(jìn)行說(shuō)明。

基本構(gòu)成

伺服電機(jī)主要由以下四個(gè)主要部件組成：

電機(jī)本體 ：作為伺服電機(jī)的核心，電機(jī)本體承擔(dān)著將輸入電能轉(zhuǎn)化機(jī)械運(yùn)動(dòng)的重要職責(zé)。電機(jī)的類型，如直流電機(jī)或交流電機(jī)，以及其在電能-機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的特性(轉(zhuǎn)矩、速度等)，均會(huì)對(duì)伺服電機(jī)最終的控制性能產(chǎn)生重大影響。

反饋傳感器 ：反饋傳感器用于檢測(cè)電機(jī)當(dāng)前的位置和速度。這些信息用來(lái)對(duì)系統(tǒng)預(yù)期運(yùn)行狀態(tài)與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行比較。反饋傳感器有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等不同種類的產(chǎn)品。

控制電路 ：控制電路負(fù)責(zé)在電機(jī)本體和反饋傳感器之間進(jìn)行信息交互，并生成控制指令，為電機(jī)提供適配的電力驅(qū)動(dòng)。該部分決定了電機(jī)控制的精度和響應(yīng)性。

電源 ：電源負(fù)責(zé)為電機(jī)運(yùn)行提供所需的電力。伺服電機(jī)通常對(duì)高精度控制有嚴(yán)格要求，而電源的品質(zhì)和穩(wěn)定性是非常關(guān)鍵的因素。

伺服電機(jī)由這些支撐其高精度控制性能的要素構(gòu)成。電機(jī)本體、反饋傳感器、控制電路和電源這四個(gè)部分協(xié)同工作，使伺服電機(jī)能夠發(fā)揮其卓越的性能。深入了解這些構(gòu)成要素的特性和功能，對(duì)于更高效地設(shè)計(jì)和應(yīng)用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要意義。

伺服電機(jī)的應(yīng)用

伺服電機(jī)憑借其精確的控制功能和卓越性能，被廣泛應(yīng)用于眾多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

下面將介紹伺服電機(jī)的部分典型應(yīng)用場(chǎng)景。

工業(yè)生產(chǎn)與自動(dòng)化

大多數(shù)工業(yè)機(jī)械通常對(duì)運(yùn)行的精準(zhǔn)度和可靠性有非常高的要求，而伺服電機(jī)因其精確的定位能力和高轉(zhuǎn)矩，在其中發(fā)揮著重要作用。

以數(shù)控機(jī)床(Computer Numerical Control，CNC)為例，伺服電機(jī)能夠?qū)⑶邢鞴ぞ邷?zhǔn)確移動(dòng)至目標(biāo)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密形狀的加工。

機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)高度依賴于伺服電機(jī)。在工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)以及機(jī)器人手術(shù)設(shè)備等諸多應(yīng)用場(chǎng)景中，伺服電機(jī)的精確控制發(fā)揮著不可或缺的作用。

控制方法與控制電路

伺服電機(jī)的控制方法包括位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等。為了實(shí)現(xiàn)這些控制，需配備專用的控制電路。控制電路生成控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)接收電機(jī)反饋的信息，并基于此對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行更新。另外，借助PLC(Programmable Logic Controller：可編程邏輯控制器 )，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的電機(jī)控制。