伺服电机是如何工作的?

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伺服电机

交流伺服电机和直流伺服电机

伺服电机在工业领域已经出现很长时间了。由于它们的体积小,力量大,而且非常节能,所以人们在许多时候都会用到它。正因为具备这样的优点,普通的伺服电机常被用来制作遥控飞机或遥控汽车、机器人等。高精密的伺服电机也用于工业领域,如:机器人、自动化生产线、医药和食品生产等。但是伺服电机是如何工作的呢?

伺服电机内部包含了伺服电路,还有一根可定位的输出轴,输出轴安装有齿轮机构(如下图所示),电机由一个电子信号进行控制,这个信号也决定了轴的运动量。

伺服电机里面有什么?

伺服电机的内部结构

要完全理解伺服器的工作原理,需要打开伺服电机的外壳,就可以看到里面有一些装置:一个小型的直流电机,电位器和一个控制电路。小电机和输出轴之间由减速齿轮组连接,输出轴与电位器的转轴连接,当小电机旋转时,减速齿轮组带动输出轴和电位器运动,电位器的电阻也会随着发生变化。当伺服电机输出轴转动到预定位置时,电机停止供电,反之,电机就会向既定方向继续转动,这样控制电路就可以精确地调节运动量和运动方向了。控制脉冲信号是通过信号线发送的。电机的速度与实际位置和理想位置的差成正比,所以伺服电机越接近理想位置,它的转动速度会越慢,反之它的转动速度越快,这就是伺服电机的比例控制,这也意味着伺服电机是非常高效的。

伺服电机的控制是如何实现的?

伺服系统通过控制线发送可变宽度的脉冲信号,脉冲宽度调制(PWM)信号。PWM信号包含一个最小脉冲,一个最大脉冲和一个重复频率。通常,伺服电机只能在两个不同的方向上旋转90° ,总共180° 。伺服电机的中立位置被定义90° ,在中立位置上伺服电机向顺时针或逆时针方向旋转的距离相同。PWM信号和脉冲的持续时间决定了转轴的位置,伺服电机脉冲间隔是20ms(毫秒)。例如,宽度为1.5ms(毫秒)的脉冲将使电机转向90位,脉冲宽度小于1.5 ms时电机将朝顺时针方向转动到0°位置,当脉冲宽度大于1.5ms时,电机将向逆时针方向旋转到180度。

伺服电机脉冲信号示意图

伺服器接收到脉冲信号后,它将会移动指定的位置并保持在这个位置上,如果我们认为对它施加一定的外力,伺服机构产生抵抗力,并始终保持在既定位置上。伺服机构所能产生的最大力量称为伺服电机的转矩。伺服电机只有在接收到连续的重复脉冲时才能一直保持既定位置。

伺服电机的种类

交流伺服电机和直流伺服电机

伺服电机分为两种:AC 和 DC。交流伺服电机的工作电流更高,它更倾向于在工业制造领域使用。直流伺服电机不是为高电流而设计的,通常更适合一些小型化的应用。通常,直流伺服电机比交流伺服电机便宜。精度较好的伺服电机在输出轴上安装有两个滚珠轴承,这样可以减少摩擦力,位置控制也相对精准。

伺服电机的应用

伺服电机常见的应用,如在遥控飞机上使用伺服电机来控制机翼摆动,机器人运用伺服电机作为关节,遥控汽车运用伺服电机实现转向等等。在食品生产、药品生产等领域,伺服电机也被设计用于高压和高温、高腐蚀性的严苛环境中,在工业运用时,对伺服电机的质量和精度要求也更高。无论是业余爱好,还是专业工程师,只有我们越了解伺服电机,才会有更多的设想,伺服电机也会带给我们更多的可能。