伺服电机：类型和工作原理
摘要：
伺服电机最常用于工业应用中的高科技设备，例如自动化技术。它是一个独立的电气设备，可以高效，高精度地旋转机器的各个部分。此外，该电动机的输出轴可以移动到特定角度。伺服电机主要用于家用电子产品，玩具，汽车，飞机和更多设备。
因此，本博客讨论了伺服电机的定义，类型，机制，原理，工作，控制以及最后的应用。
定义：
伺服电动机是旋转致动器或允许对角位置，加速度和速度进行精确控制的电动机。基本上，它具有普通电动机所不具备的某些功能。因此，它利用常规电动机并将其与用于位置反馈的传感器配对。
伺服电机类型：
伺服电机根据其应用可以为不同类型。其中最重要的是： 交流伺服电动机， 直流伺服电动机，无刷直流伺服电动机，位置旋转伺服电动机，连续旋转伺服电动机和线性伺服电动机。
典型的伺服电动机包括三根导线，即电源线，控制线和地线。这些电动机的形状和尺寸取决于其应用。
1.直流伺服电机：
直流电动机的基本工作原理与其他电磁电动机相同。设计，构造和操作模式是不同的。这种电动机的转子设计成具有较长的转子长度和较小的直径。它们的尺寸大于相同额定功率的常规电动机的尺寸。
直流伺服电机
直流伺服电动机有多种类型，它们是：
1.串联电动机：
该系列电动机的起动转矩高，消耗大电流。这种电动机的速度调节差。
2.分体式电动机：
它们是具有某些分数千瓦的分裂场速率的电动机。分体式电动机具有典型的转矩-速度曲线。该曲线表示高失速转矩和高速转矩的快速降低。
3.并联控制电机：
它具有两个独立的绕组：
1.励磁绕组–在定子上。
2.电枢绕组–在机器的转子上。
两个绕组都连接到直流电源。
4.永磁并联电动机：
它是一种固定励磁电机，其中的磁场实际上是由永磁体提供的。此外，性能类似于电枢控制的固定磁场电动机。
2.交流伺服电机：
交流伺服电机是其中的编码器与控制器配合使用以提供反馈和闭环控制的交流电机。因此，可以高精度地定位这些电动机。因此，可以根据应用程序的要求精确控制它们。
交流伺服电机的分类分为两种。它们是两相和三相交流伺服电机。现在，大多数交流伺服电动机都是两相鼠笼式感应电动机。它们用于低功耗应用。此外，三相鼠笼式感应电动机现在被用于使用大功率系统的应用中。
交流伺服电机
3.无刷直流伺服电机：
BLDC电动机通常也称为电子换向电动机或同步电动机，通过逆变器或开关电源由直流电提供动力。因此，这提供了交流电流，以通过闭环控制器驱动电动机的各相。控制器将电流脉冲提供给电动机绕组，以控制电动机的速度和转矩。
无刷电动机系统的结构通常类似于永磁同步电动机。最后，无刷电机优于有刷电机的优势 是高功率重量比，高速和电子控制。无刷电机的应用领域包括计算机外围设备(磁盘驱动器，打印机)，手持式电动工具以及从模型飞机到汽车的车辆。
4.位置旋转伺服电机：
位置旋转伺服电机是最重要的伺服电机。因此，它也是最常见的伺服电机类型。轴输出旋转约180度。此外，它还包括位于齿轮机构中的物理挡块，以停止在这些限制范围之外转动，以保护旋转传感器。这些常见的伺服器涉及无线电控制的水，比例控制的汽车，飞机，机器人，玩具和许多其他应用。
5.连续旋转伺服电机：
连续旋转伺服电动机与普通的位置旋转伺服电动机有关，但是可以无限地向任何方向移动。控制信号而不是设置伺服器的静态位置，应理解为速度和旋转方向。潜在的命令范围使伺服器在更改命令信号时根据需要顺时针或逆时针旋转。个我们这种类型的电动机的使用在雷达菜如果正在骑，一个在机器人或可以使用一个如在移动机器人上的驱动马达。
连续旋转伺服电机
6.直线伺服电机：
线性伺服电机也类似于上面讨论的位置旋转伺服电机，但带有额外的齿轮，可将输出从圆形转换为来回。尽管不太可能找到这些伺服电机，但是有时您可以在业余商店中找到它们，这些电机在更高型号的飞机中用作执行器。
直线伺服电机
工作原理：
伺服电机基于PWM(脉冲宽度调制)原理工作，这意味着其旋转角度由施加到其控制PIN的脉冲持续时间控制。伺服电动机基本上由直流电动机组成，该直流电动机由可变电阻器(电位计)和一些齿轮控制。
伺服电机机构：
伺服电动机基本上是一种闭环伺服机制，它使用位置反馈来控制其运动和最终位置。此外，其控制输入是代表输出轴指令位置的信号(模拟或数字)。
电机装有某种类型的编码器，以提供位置和速度反馈。在最简单的情况下，我们仅测量位置。然后将测量的输出位置与命令位置(控制器的外部输入)进行比较。现在，如果输出位置与预期输出的位置不同，则会生成错误信号。然后，根据需要将输出轴带到适当位置，这会使电动机沿任一方向旋转。随着位置的接近，误差信号减小到零。最终，电动机停止。
非常简单的伺服电机只能通过电位计和电机的开关控制来定位传感。此外，电动机始终以全速旋转。尽管这种伺服电动机在工业运动控制中没有很多用途，但是它构成了用于无线电控制模型的简单而廉价的伺服电动机的基础。
伺服电机还可以在光学旋转编码器中使用，以测量输出轴的速度，并使用变速驱动器来控制电机速度。现在，将其与PID控制算法结合使用时，还可以使伺服电机更快，更精确地处于其指令位置，而不会出现过冲现象。
伺服电机工作：
伺服电机非常精确地控制位置和速度。现在，电位计可以检测轴的机械位置。因此，它通过齿轮与电机轴耦合。轴的当前位置通过电位计转换为电信号，并与命令输入信号进行比较。在现代伺服电机中，电子编码器或传感器可感测轴的位置。
我们根据轴的位置给出命令输入。如果反馈信号不同于给定的输入，则错误信号会警告用户。我们将这个误差信号放大并作为输入应用到电动机，从而使电动机旋转。并且当轴到达所需位置时，误差信号变为零，因此电机保持该位置静止。
指令输入为电脉冲形式。由于电机的实际输入是反馈信号(当前位置)与所需信号之间的差，因此，电机的速度与当前位置与所需位置之间的差成比例。电动机所需的功率与其行驶所需的距离成正比。
伺服电机控制：
通常情况下，伺服电动机会沿任一方向旋转90度，因此最大运动可以为180度。但是，普通的伺服电动机无法进一步旋转以建立机械停止。
我们从伺服器中取出三根线：正极线，地线和控制线。通过通过控制线发送脉宽调制(PWM)信号来控制伺服电机。每20毫秒发送一次脉冲。脉冲的宽度决定了轴的位置。
例如 ，
1ms的脉冲将使轴沿-90度逆时针移动，1.5ms的脉冲将使轴在中性位置0度处移动，而2ms的脉冲将使轴在+90度处顺时针移动。
可变脉冲宽度控制伺服电机
当我们通过施加适当宽度的脉冲命令伺服电动机移动时，轴将移至并保持轴的所需位置。但是，电动机无法改变。脉冲需要重复才能使电动机保持位置。
应用范围：
1.机器人技术：在机器人的每个关节处，我们都连接了一个伺服电机。从而赋予机器人手臂精确的角度。
2.传送带：伺服电机移动，停止和启动将产品传送到各个阶段的传送带，例如在产品包装/装瓶和贴标签中。
3.相机自动对焦：相机中内置的高精度伺服电机可校正相机镜头，以使聚焦图像清晰。
4.太阳能跟踪系统：伺服电机全天调整太阳能电池板的角度，因此每个电池板都继续面对太阳，这将最大的能量利用从日落到日落。
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