05.07 步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

  • 步進電機:

步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數,而不受負載變化的影響,當步進驅動器接收到一個脈衝信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈衝個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。

  • 伺服電機:

伺服電機又稱執行電動機,在自動控制系統中,用作執行元件,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。伺服主要靠脈衝來定位,基本上可以這樣理解,伺服電機接收到1個脈衝,就會旋轉1個脈衝對應的角度,從而實現位移,因為,伺服電機本身具備發出脈衝的功能,所以伺服電機每旋轉一個角度,都會發出對應數量的脈衝,這樣,和伺服電機接受的脈衝形成了呼應,或者叫閉環,如此一來,系統就會知道發了多少脈衝給伺服電機,同時又收了多少脈衝回來,這樣,就能夠很精確的控制電機的轉動,從而實現精確的定位,可以達到0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低,結構簡單,啟動轉矩大,調速範圍寬,控制容易,需要維護,但維護不方便(換碳刷),產生電磁干擾,對環境有要求。因此它可以用於對成本敏感的普通工業和民用場合。

  • 舵機:

舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。其工作原理是由接收機發出訊號給舵機,經由電路板上的 IC判斷轉動方向,再驅動無核心馬達開始轉動,透過減速齒輪將動力傳至擺臂,同時由位置檢測器送回訊號,判斷是否已經到達定位。位置檢測器其實就是可變電阻,當舵機轉動時電阻值也會隨之改變,藉由檢測電阻值便可知轉動的角度。    廠商所提供的舵機規格資料,都會包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、測試電壓(V)及重量(g)等基本資料。扭力的單位是 kg/cm,意思是在擺臂長度 1 公分處,能吊起幾公斤重的物體。這就是力臂的觀念,因此擺臂長度愈長,則扭力愈小。速度的單位是 sec/60°,意思是舵機轉動 60°所需要的時間。

其實三者不是並列關係,因為步進電機和伺服電機是可以在功能上對比的;而舵機指的是伺服電機在航模、小型機器人等領域下常用的一個特殊版本,一般來說比較輕量、小型、簡化和廉價,並附帶減速機構。

而步進電機和伺服電機本質上的最大區別在於,一個是開環控制,一個是閉環控制。

步進電機接收的是電脈衝信號,根據信號數量轉過相應的步距角。

通俗來講就是你推一下,我動一下。動的角度就是步距角,是步進電機的固有屬性。假如步距角是15°,表示每接收一個脈衝電機就轉過15°。

所謂開環,就是隻管控制,不管反饋。

步進電機接收脈衝後轉動,但不保證一定能轉到。比如脈衝頻率過高或者負載較大,就會造成失步,也就是沒轉到位。

所以說使用步進電機的場合,要麼不需要位置反饋,要麼在其他設備上進行位置反饋。比如模型小車的車輪、光驅的光頭、攝像機雲臺,以及各種行業機械設備等。

步進電機一般長這樣:

步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

內部結構則是這樣:

步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

步進電機與普通直流交流電機的原理均不同,步進轉動靠的是定子線圈繞組不同相位的電流以及定子和轉子上齒槽產生的轉矩。

而伺服電機則是閉環控制,即通過傳感器實時反饋電機的運行狀態,由控制芯片進行實時調節。

一般工業用的伺服電機都是三環控制,即電流環、速度環、位置環,分別能反饋電機運行的角加速度、角速度和旋轉位置。芯片通過三者的反饋控制電機各相的驅動電流,實現電機的速度和位置都準確按照預定運行。

步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

伺服電機能保證只要負載在額定範圍內,就能達到很高的精度,具體精度首先受制於編碼器的碼盤,與控制算法也有很大關係。

與步進電機原理結構不同的是,伺服電機由於把控制電路放到了電機之外,裡面的電機部分就是標準的直流電機或交流感應電機。

一般情況下電機的原始扭矩是不夠用的,往往需要配合減速機進行工作,可以使用減速齒輪組或行星減速器。

伺服電機常用於需要高精度定位的領域,比如機床、工業機械臂、機器人等。

常見的伺服電機長這樣:(裡面有三環控制電路)

步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

內部結構是這樣:(這款是空心杯無刷直流電機)

步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

而舵機則是因為航模愛好者們最初用它控制船舵、飛機舵面而得名。

伺服電機的英文是servomotor。舵機呢?有人也叫servomotor,有人簡稱為servo。

從結構來分析,舵機包括一個小型直流電機,加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組,裝進一體化外殼。能夠通過輸入信號(一般是PWM信號,也有的是數字信號)控制旋轉角度。

由於是簡化版,原本伺服電機的三環控制被簡化成了一環,即只檢測位置環。廉價的方案就是一個電位器,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。

給模型用的舵機很多幹脆就是塑料外殼加塑料齒輪組。比如著名的廉價舵機SG90,俗稱9g舵機(因為重量是9g):

步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

稍一拆解就看到裡面是這樣的:

步進電機、伺服電機、舵機的主要區別

可以看到塑料齒輪組、電機、電位器、電路板等。


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