一、什么是伺服電機(jī)？

伺服電機(jī)是一種能夠精確控制其位置、速度和加速度的電機(jī)。它接收來(lái)自控制器的指令信號(hào)，并據(jù)此調(diào)整其輸出，以達(dá)到對(duì)機(jī)械設(shè)備或系統(tǒng)的精確控制。伺服電機(jī)的工作原理基于閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)內(nèi)部的反饋機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而調(diào)整電機(jī)的輸出，確保實(shí)際運(yùn)行與設(shè)定值一致。

伺服電機(jī)具有高精度、高響應(yīng)速度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。在工業(yè)自動(dòng)化中，伺服電機(jī)常被用于數(shù)控機(jī)床、生產(chǎn)線(xiàn)等設(shè)備的精確控制；在機(jī)器人技術(shù)中，伺服電機(jī)則是機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的核心部件，使得機(jī)器人能夠靈活運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作。

伺服電機(jī)可以控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線(xiàn)性度高等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

二、伺服電機(jī)如何工作？

伺服機(jī)構(gòu)對(duì)于控制電機(jī)軸的精確運(yùn)動(dòng)起著重要作用。伺服電機(jī)內(nèi)部帶有反饋和控制電路的閉環(huán)系統(tǒng)稱(chēng)為伺服機(jī)構(gòu)。

具有控制輸入信號(hào)和位置反饋的控制電路和比較器將為電機(jī)提供所需的偏置。根據(jù)接收到的偏置，電機(jī)軸將轉(zhuǎn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)），附加的齒輪也旋轉(zhuǎn)，附加齒輪的360度電位器也旋轉(zhuǎn)并改變其電阻值，該電阻的變化作為位置反饋，比較器電路將其與控制進(jìn)行比較信號(hào)并允許或限制電機(jī)偏置，并且重復(fù)此操作。

電機(jī)內(nèi)部的伺服機(jī)構(gòu)會(huì)通過(guò)控制電路接收所需的偏壓，并在接收到偏壓時(shí)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)軸，與軸相連的齒輪會(huì)增加扭矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，從而控制安全旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，附有齒輪的電位器軸也隨之移動(dòng)，通過(guò)比較器比較電位器（反饋信號(hào)）和控制信號(hào)（PWM）的供電，并將差值信號(hào)施加到控制電路，在此允許所需的直流電平電機(jī)采用PWM格式并進(jìn)行精確旋轉(zhuǎn)。

微型伺服電機(jī)大多采用 5V DC 電源工作，需要 +V、Gnd 和 PWM 信號(hào)才能運(yùn)行，通過(guò)使用受控 PWM 信號(hào)電路或微控制器和開(kāi)發(fā)板 Arduino、Raspbery pi、ESP32 可以輕松連接和控制伺服電機(jī)ETC。，

伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度取決于 PWM 信號(hào)中的 ON 時(shí)間（HIGH），因此我們可以編程或使用傳感器來(lái)產(chǎn)生具有所需 ON 時(shí)間的 PWM 信號(hào)，并在伺服電機(jī)軸上做出適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

正如您所看到的 PWM 信號(hào)（高），伺服電機(jī)軸以精確的角度旋轉(zhuǎn)，通過(guò)編碼和使用傳感器，我們可以驅(qū)動(dòng)許多可能的應(yīng)用。

三、如何使用 PWM 控制電機(jī)速度

直流電機(jī)的速度與電源電壓成正比?？刂浦绷麟姍C(jī)速度的一種簡(jiǎn)單方法是通過(guò)脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)節(jié)電源電壓。

脈寬調(diào)制 (PWM)

PWM 背后的基本思想是它非?？焖俚卮蜷_(kāi)和關(guān)閉電源電壓。通過(guò)調(diào)整 ON/OFF 脈沖的長(zhǎng)度，我們可以將電壓設(shè)置為 0V 和最大電壓之間的任意位置。我們將使用該 PWM 信號(hào)直接為電機(jī)供電。

脈寬調(diào)制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

有多種方法可以為電機(jī)生成 PWM 信號(hào)，但在本教程中我們將使用555 定時(shí)器。這是電路原理圖：

用于直流電機(jī)控制的 555 定時(shí)器非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

555定時(shí)器的輸出控制晶體管Q1的導(dǎo)通和截止。電容器C1通過(guò)電阻器R1和R3進(jìn)行充電和放電。電容器充電或放電的時(shí)間取決于 R1 和 R3 的值。一旦電容器充電，它就會(huì)通過(guò)二極管D2 和可變電阻RV1 快速放電到引腳 7。在放電過(guò)程中，555 定時(shí)器的輸出下降到 0V，并“關(guān)閉”晶體管。轉(zhuǎn)動(dòng)可變電阻可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。

四、直流電機(jī)調(diào)速 PWM 電路圖

直流電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，有些應(yīng)用需要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行速度控制，有些則需要控制旋轉(zhuǎn)方向。這里使用IC 555和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC L293D構(gòu)建了簡(jiǎn)單的直流電機(jī)速度控制 PWM 電路。

在下面的原理圖中，IC 555 定時(shí)器充當(dāng) PWM 發(fā)生器，H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC L293D 負(fù)責(zé)根據(jù) PWM 輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這里可以通過(guò)改變輸入引腳來(lái)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。

脈寬調(diào)制信號(hào)

當(dāng)我們向電機(jī)施加直流電源時(shí)，它開(kāi)始旋轉(zhuǎn)軸，但我們無(wú)法控制其RPM（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)），當(dāng)我們向直流電機(jī)施加 PWM 信號(hào)時(shí)，取決于 PWM 占空比，我們可以控制直流電機(jī)的 RPM。

這里的占空比是一個(gè)周期內(nèi)接通時(shí)間的百分比，并且取決于接通時(shí)間持續(xù)時(shí)間和脈沖計(jì)數(shù)電機(jī)速度（RPM）的變化。

H 橋操作

H橋或L293D等電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC用于將低功率控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為足夠的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并改變負(fù)載電機(jī)的供電方向。

取決于開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉，電機(jī)獲得正向和反向供電，因此旋轉(zhuǎn)順時(shí)針或逆時(shí)針變化取決于開(kāi)關(guān)位置，這就是 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理。

電路原理圖

這里，定時(shí)器 IC 555 用作方波脈沖發(fā)生器，取決于可變電阻值，輸出脈沖寬度或占空比會(huì)發(fā)生變化，并且 IC 555 的輸出通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)直接應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 H 橋 IC L293D。通過(guò)使用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)我們可以改變L293D的輸入引腳。直流電機(jī)連接在 out 1 和 out 2 之間。

L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

IC L293D 有 16 引腳，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。該示意圖顯示了雙向直流電機(jī)控制。

五、伺服電機(jī)的三種控制方式

伺服電機(jī)作為一種高精度、高性能的驅(qū)動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化設(shè)備和精密制造領(lǐng)域。其控制方式的選擇直接關(guān)系到電機(jī)的運(yùn)行性能和應(yīng)用效果。本文將詳細(xì)介紹伺服電機(jī)的三種控制方式：轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，深入探討各種控制方式的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。

1、轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制是伺服電機(jī)的一種重要控制方式，通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩大小。具體而言，轉(zhuǎn)矩控制可以實(shí)現(xiàn)精確的力矩輸出，使得電機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)的力矩大小進(jìn)行工作。例如，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)，電機(jī)軸輸出為2.5Nm（假設(shè)10V對(duì)應(yīng)5Nm）。此時(shí)，如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm，電機(jī)將正轉(zhuǎn)；當(dāng)負(fù)載等于2.5Nm時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；而當(dāng)負(fù)載大于2.5Nm時(shí)，電機(jī)將反轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)在于其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)力矩的精確控制，從而確保電機(jī)在工作過(guò)程中始終保持穩(wěn)定的輸出。這種控制方式主要應(yīng)用于對(duì)材質(zhì)受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷裝置中，如饒線(xiàn)裝置或拉光纖設(shè)備等。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定需要根據(jù)纏繞半徑的變化隨時(shí)更改，以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

2、位置控制

位置控制是伺服電機(jī)的另一種常用控制方式，主要通過(guò)外部輸入的脈沖頻率和脈沖個(gè)數(shù)來(lái)確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和位置。具體而言，位置控制模式通過(guò)脈沖的頻率來(lái)確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而脈沖的個(gè)數(shù)則決定了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在某些伺服系統(tǒng)中，還可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。

位置控制的特點(diǎn)在于其對(duì)速度和位置都有很?chē)?yán)格的控制精度。這種控制方式使得伺服電機(jī)能夠準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)設(shè)位置，并在到達(dá)后保持穩(wěn)定的輸出。因此，位置控制主要應(yīng)用于需要高精度定位的裝置中，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)等。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，伺服電機(jī)需要準(zhǔn)確地控制工件的位置和姿態(tài)，以確保加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

3、速度控制

速度控制是伺服電機(jī)的第三種控制方式，主要通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在有上位機(jī)控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)，速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須將電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位機(jī)反饋以做運(yùn)算用。

速度控制的特點(diǎn)在于其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的精確控制。通過(guò)調(diào)整模擬量的輸入或脈沖的頻率，可以輕松地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。此外，速度控制還支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，這樣可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。速度控制主要應(yīng)用于需要快速響應(yīng)和精確速度控制的場(chǎng)合，如機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等。

綜上所述，伺服電機(jī)的三種控制方式各有特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。轉(zhuǎn)矩控制適用于對(duì)材質(zhì)受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷裝置；位置控制適用于需要高精度定位的裝置；而速度控制則適用于需要快速響應(yīng)和精確速度控制的場(chǎng)合。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，伺服電機(jī)的控制方式也將不斷創(chuàng)新和完善。未來(lái)，我們可以期待更加智能化、高效化的伺服電機(jī)控制方式的出現(xiàn)，為自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展注入新的動(dòng)力。