什么是伺服電機？工作原理與解析

伺服電機(英文：servomotor)，在機器人、制造設備以及汽車等眾多領域有著廣泛應用。

初次接觸時，其工作原理或許看似復雜。本文將采用循序漸進的方式，系統闡述伺服電機的基本工作原理、構成以及應用。

伺服電機的工作原理

什么是伺服電機?

伺服電機，通常是指一種用于執行位置控制任務的電動機。

它的特點是能夠以非常高的精度控制旋轉角度和轉速，這要歸功于伺服電機的特殊控制系統。

下面將闡述伺服電機的基本工作流程。

基本工作流程

伺服電機的運行依托于 “控制回路” 或 “反饋回路” 系統。

該系統主要涵蓋以下四個步驟。

指令輸入 ：在該環節，向系統下達“希望執行何種操作”的指令。比如，可以下達指令讓電機旋轉到特定角度。

控制 ：基于輸入的指令，由控制算法決定電機如何運行。

輸出 ：執行控制單元所決定的動作。電機在這一步驟中進行實際的物理運轉

反饋 ：測量電機的實際位置和速度等參數，判斷其是否與指令要求相符。該信息會反饋至下一個控制單元，并根據需要進行調整。

通過這個反饋回路高速且連續的運行，伺服電機得以實現高精度、高響應性運轉。

伺服電機的構成

下面對伺服電機的基本構成進行說明。

基本構成

伺服電機主要由以下四個主要部件組成：

電機本體 ：作為伺服電機的核心，電機本體承擔著將輸入電能轉化機械運動的重要職責。電機的類型，如直流電機或交流電機，以及其在電能-機械運動轉換過程中的特性(轉矩、速度等)，均會對伺服電機最終的控制性能產生重大影響。

反饋傳感器 ：反饋傳感器用于檢測電機當前的位置和速度。這些信息用來對系統預期運行狀態與電機實際運行狀態進行比較。反饋傳感器有光電編碼器、旋轉變壓器等不同種類的產品。

控制電路 ：控制電路負責在電機本體和反饋傳感器之間進行信息交互，并生成控制指令，為電機提供適配的電力驅動。該部分決定了電機控制的精度和響應性。

電源 ：電源負責為電機運行提供所需的電力。伺服電機通常對高精度控制有嚴格要求，而電源的品質和穩定性是非常關鍵的因素。

伺服電機由這些支撐其高精度控制性能的要素構成。電機本體、反饋傳感器、控制電路和電源這四個部分協同工作，使伺服電機能夠發揮其卓越的性能。深入了解這些構成要素的特性和功能，對于更高效地設計和應用伺服電機控制系統具有重要意義。

伺服電機的應用

伺服電機憑借其精確的控制功能和卓越性能，被廣泛應用于眾多產業領域。

下面將介紹伺服電機的部分典型應用場景。

工業生產與自動化

大多數工業機械通常對運行的精準度和可靠性有非常高的要求，而伺服電機因其精確的定位能力和高轉矩，在其中發揮著重要作用。

以數控機床(Computer Numerical Control，CNC)為例，伺服電機能夠將切削工具準確移動至目標位置，進而實現復雜精密形狀的加工。

機器人技術

機器人技術高度依賴于伺服電機。在工業機器人、自動駕駛汽車、無人機以及機器人手術設備等諸多應用場景中，伺服電機的精確控制發揮著不可或缺的作用。

控制方法與控制電路

伺服電機的控制方法包括位置控制、速度控制和轉矩控制等。為了實現這些控制，需配備專用的控制電路。控制電路生成控制信號以驅動電機運轉，同時接收電機反饋的信息，并基于此對控制信號進行更新。另外，借助PLC(Programmable Logic Controller：可編程邏輯控制器 )，可以同時對多個電機進行控制，從而實現更為復雜的電機控制。