有人說「伺服電機(jī)其實(shí)是個(gè)系統(tǒng)」,也有人說的「伺服電機(jī)確實(shí)就是電機(jī)」誰對呢?其實(shí)都不算錯(cuò)。這里的區(qū)別主要在于如何定義電機(jī)。
如果從原理角度來看,只把最核心的定子轉(zhuǎn)子算作電機(jī),那伺服電機(jī)當(dāng)然是個(gè)系統(tǒng),因?yàn)樗欧刂齐娐肥窃陔姍C(jī)之外的。如果從設(shè)備分類來看,整個(gè)外殼里面都算電機(jī),那伺服電機(jī)就是個(gè)單獨(dú)的電機(jī)啦。
其實(shí)在工程上并不像做理論研究那樣需要特別嚴(yán)格的定義,至少在伺服電機(jī)到底是什么東西這點(diǎn)上,大家都是沒有分歧的,也不可能有人單獨(dú)拿一個(gè)不帶伺服電路的核心電機(jī)出來銷售吧。
現(xiàn)在就來說說這三者的主要區(qū)別。其實(shí)三者不是并列關(guān)系,因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)是可以在功能上對比的;而舵機(jī)指的是伺服電機(jī)在航模、小型機(jī)器人等領(lǐng)域下常用的一個(gè)特殊版本,一般來說比較輕量、小型、簡化和廉價(jià),并附帶減速機(jī)構(gòu)。而步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)本質(zhì)上的最大區(qū)別在于,一個(gè)是開環(huán)控制,一個(gè)是閉環(huán)控制。
步進(jìn)電機(jī)接收的是電脈沖信號,根據(jù)信號數(shù)量轉(zhuǎn)過相應(yīng)的步距角。通俗來講就是你推一下,我動一下。動的角度就是步距角,是步進(jìn)電機(jī)的固有屬性。假如步距角是15°,表示每接收一個(gè)脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn)過15°。所謂開環(huán),就是只管控制,不管反饋。
步進(jìn)電機(jī)接收脈沖后轉(zhuǎn)動,但不保證一定能轉(zhuǎn)到。比如脈沖頻率過高或者負(fù)載較大,就會造成失步,也就是沒轉(zhuǎn)到位。所以說使用步進(jìn)電機(jī)的場合,要么不需要位置反饋,要么在其他設(shè)備上進(jìn)行位置反饋。比如模型小車的車輪、光驅(qū)的光頭、攝像機(jī)云臺,以及各種行業(yè)機(jī)械設(shè)備等。
步進(jìn)電機(jī)與普通直流交流電機(jī)的原理均不同,步進(jìn)轉(zhuǎn)動靠的是定子線圈繞組不同相位的電流以及定子和轉(zhuǎn)子上齒槽產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。而伺服電機(jī)則是閉環(huán)控制,即通過傳感器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),由控制芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
一般工業(yè)用的伺服電機(jī)都是三環(huán)控制,即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán),分別能反饋電機(jī)運(yùn)行的角加速度、角速度和旋轉(zhuǎn)位置。芯片通過三者的反饋控制電機(jī)各相的驅(qū)動電流,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和位置都準(zhǔn)確按照預(yù)定運(yùn)行。伺服電機(jī)能保證只要負(fù)載在額定范圍內(nèi),就能達(dá)到很高的精度,具體精度首先受制于編碼器的碼盤,與控制算法也有很大關(guān)系。
與步進(jìn)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)不同的是,伺服電機(jī)由于把控制電路放到了電機(jī)之外,里面的電機(jī)部分就是標(biāo)準(zhǔn)的直流電機(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)。一般情況下電機(jī)的原始扭矩是不夠用的,往往需要配合減速機(jī)進(jìn)行工作,可以使用減速齒輪組或行星減速器。伺服電機(jī)常用于需要高精度定位的領(lǐng)域,比如機(jī)床、工業(yè)機(jī)械臂、機(jī)器人等。
常見的伺服電機(jī)長這樣:(里面有三環(huán)控制電路)
而舵機(jī)則是國人起的俗稱,因?yàn)楹侥酆谜邆冏畛跤盟刂拼?、飛機(jī)舵面而得名。伺服電機(jī)的英文是servomotor。舵機(jī)呢?有人也叫servomotor,有人簡稱為servo。大概就是「伺服電機(jī)」和「小伺伺」的關(guān)系吧。
從結(jié)構(gòu)來分析,舵機(jī)包括一個(gè)小型直流電機(jī),加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組,裝進(jìn)一體化外殼。能夠通過輸入信號(一般是PWM信號,也有的是數(shù)字信號)控制旋轉(zhuǎn)角度。由于是簡化版,原本伺服電機(jī)的三環(huán)控制被簡化成了一環(huán),即只檢測位置環(huán)。
廉價(jià)的方案就是一個(gè)電位器,通過電阻來檢測,高級的方案則會用到霍爾傳感器,或者光柵編碼器。給模型用的舵機(jī)很多干脆就是塑料外殼加塑料齒輪組。比如著名的廉價(jià)舵機(jī)SG90,俗稱9g舵機(jī)(因?yàn)橹亓渴?g):
稍一拆解就看到里面是這樣的:
可以看到塑料齒輪組、電機(jī)、電位器、電路板等。隨著消費(fèi)級小型機(jī)器人在近兩年的熱潮,小型輕量的舵機(jī)一下子成了最合適的關(guān)節(jié)元件。但機(jī)器人關(guān)節(jié)對性能的要求遠(yuǎn)高于船舵,而作為商業(yè)產(chǎn)品也比DIY玩家對舵機(jī)質(zhì)量要求高得多。
一些有追求的消費(fèi)級機(jī)器人公司,會在六足全地形機(jī)器人HEXA上使用的19個(gè)舵機(jī)均使用了全鋁合金外殼、金屬軸承、鋼齒輪組。全是為了保證這個(gè)小東西被買回家后也能一直活蹦亂跳下去而不是玩幾天就壞掉。
不過這樣的舵機(jī)成本不低,同品質(zhì)的在市場上至少需要150元,況且我們自己實(shí)現(xiàn)的不受力時(shí)進(jìn)入省電模式、超靜音無抖動、360度無死角自由定位等特性,在其他舵機(jī)上根本是沒有的。