一、什么是伺服電機?

伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。它能夠將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，從而實現對機械運動的精確控制。伺服電機主要由電機本體、驅動器和控制電路等部分組成，其中電機本體是實現機械運動的執行機構，驅動器負責接收控制信號并驅動電機轉動，控制電路則負責生成控制信號并監控電機的運行狀態。

伺服電機可以控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

伺服電機廣泛應用于各種需要精準控制運動的場合，如工業自動化、機器人、數控機床、醫療設備、航空航天等領域。在工業自動化領域，伺服電機被用于驅動各種自動化設備，如傳送帶、包裝機械、印刷設備等。在機器人領域，伺服電機是機器人關節驅動的核心部件，能夠實現機器人的靈活運動和準確定位。在醫療設備領域，伺服電機被用于驅動各種精密醫療設備，如手術機器人、醫療影像設備等。

二、伺服電機的工作原理

伺服電機被定義為能夠精確控制位置(角度)、速度和加速度的執行器。典型的伺服電機由三個主要部件組成：直流電機、控制電路和反饋裝置。

直流電機為伺服系統提供動力，并連接到齒輪，以降低速度并增加輸出軸上的扭矩。

輸出軸是伺服器中旋轉并移動負載的部分。

控制電路負責接收和處理來自外部控制器的輸入信號。這些信號告訴伺服系統要移動到什么位置、速度或方向。控制電路還向直流電機發送電力以驅動它。

反饋裝置通常是測量輸出軸當前位置的電位器或編碼器。

反饋設備將位置數據轉發回控制電路，然后控制電路調整直流電機的功率，使實際位置與輸入信號中的所需位置對齊。

控制電路和反饋裝置之間的反饋回路保證舵機能夠準確地運動到并保持在其運動范圍內的任何位置。

三、伺服電機的特點

伺服電機(Servo Motor)是一種能夠精確控制位置、速度和加速度的電機系統，廣泛應用于需要高精度定位、快速響應和穩定性能的工業自動化、機器人技術、精密加工設備等領域。以下是關于伺服電機的特點介紹：

高精度定位：伺服電機系統通常配備高分辨率的編碼器或解析器，用于實時監測電機的位置和速度。這使得伺服電機能夠實現非常精確的位置控制，滿足各種高精度應用的需求。

快速響應：伺服電機具有出色的動態性能，能夠快速響應控制信號的變化。當接收到控制指令時，伺服電機能夠迅速調整其轉速和位置，以滿足系統對速度和位置控制的需求。

高穩定性：伺服電機系統通常使用閉環控制，這意味著電機能夠不斷地監測其實際位置和速度，并與目標值進行比較和調整。這種閉環控制使得伺服電機具有很高的穩定性，能夠在各種負載和環境條件下保持穩定的性能。

寬調速范圍：伺服電機通常具有較寬的調速范圍，可以適應不同的應用需求。無論是需要高速旋轉還是低速精密定位的場合，伺服電機都能夠提供適當的速度和位置控制。

大扭矩輸出：伺服電機能夠輸出較大的扭矩，特別是在低速時。這使得伺服電機在需要高扭矩輸出的應用場合中具有很大的優勢，如機器人手臂、精密加工設備等。

良好的可靠性：伺服電機采用高質量的材料和先進的制造工藝，具有很高的可靠性。同時，伺服電機系統通常配備有各種保護和故障診斷功能，以確保在出現異常情況時能夠及時發現并解決問題。

易于集成：伺服電機系統通常具有標準化的接口和通信協議，使得它們易于與其他設備和系統進行集成。這有助于簡化整個系統的設計和實現過程，提高系統的整體性能和可靠性。

低維護成本：由于伺服電機系統具有較高的可靠性和穩定性，因此它們的維護成本相對較低。此外，許多伺服電機系統還配備了遠程監控和診斷功能，可以進一步降低維護成本和停機時間。

總之，伺服電機以其高精度定位、快速響應、高穩定性、寬調速范圍、大扭矩輸出、良好的可靠性、易于集成和低維護成本等特點，在各種需要高精度控制的應用場合中發揮著重要作用。

四、如何控制伺服電機?

通過向伺服信號線發送 PWM(脈寬調制)信號來控制伺服電機。 PWM 是一種快速打開和關閉信號以產生不同寬度脈沖的技術。脈沖寬度決定輸出軸的位置。

例如，當您發送脈沖寬度為 1.5 毫秒 (ms) 的 PWM 信號時，舵機將移至中立位置(90 度)。

當發送脈沖寬度為1ms的PWM信號時，舵機將移動到最小位置(0度)。當發送脈沖寬度為2ms的PWM信號時，舵機將移動到最大位置(180度)。

PWM 信號的頻率為 50 Hz，這意味著它每 20 ms 重復一次。在此期間，脈沖寬度可以在 1 ms 到 2 ms 之間變化。

五、伺服電機驅動電路圖

在本教程中，我們將制作一個“伺服電機驅動電路”。伺服電機是一種小型電子元件，有助于以精確的精度旋轉或推動機器或設備的任何部分。與通用直流電機不同，我們可以控制伺服電機的角度，因此用途廣泛。這些電機用于精確控制角度或線性位置、速度和加速度。也稱為旋轉執行器或線性執行器。伺服電機可能由用于位置反饋的傳感器和用于位置控制的信號輸入組成。這些電機有不同的尺寸和額定電壓。伺服電機控制器電路用于控制伺服電機的位置，這里我們構建了用于亞微型伺服電機的伺服電機驅動電路。

該電路旨在通過使用不同占空比的 PWM 脈沖來提供 PWM(脈沖寬度調制)信號輸出。我們可以通過使用微控制器內部的 PWM 模塊或定時器來控制伺服電機的旋轉和位置。這里我們使用定時器 IC 555 來生成 PWM。一旦觸發 PWM 模塊 (IC 555)，所選 PWM 通道引腳就會變高(邏輯 1)。達到所需寬度后，它將變低(邏輯 0)。因此，觸發 PWM 后，必須啟動一個延遲特定 ms 的定時器，并等待定時器溢出。

每個伺服電機都有三個端子，一個用于正極電源，另一個用于接地電源，一個用于位置控制信號輸入。

為了驅動電機，我們首先需要 PWM 脈沖，這就是我們使用 555 定時器 IC 的原因。而晶體管在電路中的作用是放大信號。要了解基于 PWM 信號的伺服旋轉，請考慮周期為 20ms、高電平脈沖持續時間為 1ms(最小值)和 2ms(最大值)的信號。根據高脈沖信號的持續時間，伺服電機的旋轉會發生變化。

正如我們在電路中看到的，定時器 IC 555 被用作非穩態多諧振蕩器。它在輸出端產生具有兩種不同脈沖持續時間的脈沖，我們知道555中輸出脈沖的時間取決于定時電阻和定時電容。對于輸出，我們將 Vcc 線連接到 Vcc、GND 與地，并將 PWM 線連接到晶體管的集電極側。此外，我們在觸發器和閾值引腳處連接開關。

所以，當我們施加電壓并按下任何開關時。 IC 被觸發，閾值引腳將施加的電壓與 2/3 Vcc 的參考電壓進行比較。當我們按下開關 SW1 時，IC 會產生一個長持續時間的高脈沖。該高脈沖時間將等于 0.693*(R1 + R2) C1，低脈沖時間將等于 0.693R2C1。在這種情況下，舵機以正確的方向旋轉。當我們按下開關 SW2 時，該 IC 會產生一個短時高脈沖。該高脈沖時間將等于 0.693(R1 + R3) C1，低脈沖時間將等于 0.693R3C1。在這種情況下，舵機向左方向旋轉。根據輸出脈沖占空比，伺服電機的旋轉方向和速度會發生變化。