伺服电机的工作原理、构成以及应用

什么是伺服电机？工作原理与解析

伺服电机(英文：servomotor)，在机器人、制造设备以及汽车等众多领域有着广泛应用。

初次接触时，其工作原理或许看似复杂。本文将采用循序渐进的方式，系统阐述伺服电机的基本工作原理、构成以及应用。

伺服电机的工作原理

什么是伺服电机?

伺服电机，通常是指一种用于执行位置控制任务的电动机。

它的特点是能够以非常高的精度控制旋转角度和转速，这要归功于伺服电机的特殊控制系统。

下面将阐述伺服电机的基本工作流程。

基本工作流程

伺服电机的运行依托于 “控制回路” 或 “反馈回路” 系统。

该系统主要涵盖以下四个步骤。

指令输入 ：在该环节，向系统下达“希望执行何种操作”的指令。比如，可以下达指令让电机旋转到特定角度。

控制 ：基于输入的指令，由控制算法决定电机如何运行。

输出 ：执行控制单元所决定的动作。电机在这一步骤中进行实际的物理运转

反馈 ：测量电机的实际位置和速度等参数，判断其是否与指令要求相符。该信息会反馈至下一个控制单元，并根据需要进行调整。

通过这个反馈回路高速且连续的运行，伺服电机得以实现高精度、高响应性运转。

伺服电机的构成

下面对伺服电机的基本构成进行说明。

基本构成

伺服电机主要由以下四个主要部件组成：

电机本体 ：作为伺服电机的核心，电机本体承担着将输入电能转化机械运动的重要职责。电机的类型，如直流电机或交流电机，以及其在电能-机械运动转换过程中的特性(转矩、速度等)，均会对伺服电机最终的控制性能产生重大影响。

反馈传感器 ：反馈传感器用于检测电机当前的位置和速度。这些信息用来对系统预期运行状态与电机实际运行状态进行比较。反馈传感器有光电编码器、旋转变压器等不同种类的产品。

控制电路 ：控制电路负责在电机本体和反馈传感器之间进行信息交互，并生成控制指令，为电机提供适配的电力驱动。该部分决定了电机控制的精度和响应性。

电源 ：电源负责为电机运行提供所需的电力。伺服电机通常对高精度控制有严格要求，而电源的品质和稳定性是非常关键的因素。

伺服电机由这些支撑其高精度控制性能的要素构成。电机本体、反馈传感器、控制电路和电源这四个部分协同工作，使伺服电机能够发挥其卓越的性能。深入了解这些构成要素的特性和功能，对于更高效地设计和应用伺服电机控制系统具有重要意义。

伺服电机的应用

伺服电机凭借其精确的控制功能和卓越性能，被广泛应用于众多产业领域。

下面将介绍伺服电机的部分典型应用场景。

工业生产与自动化

大多数工业机械通常对运行的精准度和可靠性有非常高的要求，而伺服电机因其精确的定位能力和高转矩，在其中发挥着重要作用。

以数控机床(Computer Numerical Control，CNC)为例，伺服电机能够将切削工具准确移动至目标位置，进而实现复杂精密形状的加工。

机器人技术

机器人技术高度依赖于伺服电机。在工业机器人、自动驾驶汽车、无人机以及机器人手术设备等诸多应用场景中，伺服电机的精确控制发挥着不可或缺的作用。

控制方法与控制电路

伺服电机的控制方法包括位置控制、速度控制和转矩控制等。为了实现这些控制，需配备专用的控制电路。控制电路生成控制信号以驱动电机运转，同时接收电机反馈的信息，并基于此对控制信号进行更新。另外，借助PLC(Programmable Logic Controller：可编程逻辑控制器 )，可以同时对多个电机进行控制，从而实现更为复杂的电机控制。