直流伺服电机工作原理_接线图解_Arduino调速方法

伺服电机是一种用于高精度旋转机器部件的电动机，该电机包括一个控制电路，可提供电机轴当前位置的反馈，因此该反馈仅允许这些电机以高精度旋转。

伺服电机有利于将物体旋转一定距离或角度，该电机分为交流伺服电机和直流伺服电机两种。如果伺服电机使用直流电源工作，则该电机称为直流伺服电机，而如果它使用交流电源工作，则称为交流伺服电机。前面已经介绍过交流伺服电机，本文带大家了解下直流伺服电机。

什么是直流伺服电机？

使用直流电输入产生位置、速度或加速度等机械输出的伺服电机称为直流伺服电机。通常情况下，这些类型的电机被用作数控机器、计算机等原动机，无论何时启动和停止都精确且快速。

结构和工作原理

直流伺服电机由以下框图中给出的不同组件构成。在此图中，每个组件及其功能在下面介绍：

上图使用的电机是典型的直流电机，包括单独励磁的励磁绕组。因此根据励磁性质，又可分为电枢控制和励磁伺服电机。

这里使用的负载是一个简单的风扇或工业负载器件，它们简单地连接到电机的机械轴上。这种结构中的齿轮箱像机械传感器一样工作，可以根据应用改变电机的输出，如加速度、位置或速度。

位置传感器的主要功能是获得与负载当前位置相当的反馈信号。一般情况下，它是一个电位器，用于通过齿轮机构提供与电机轴的绝对角度成正比的电压。

比较器功能是比较位置传感器和参考点的o/p以产生误差信号并将其提供给放大器。如果直流电机在精确控制下工作，则不会出现错误。位置传感器、齿轮箱和比较器将使系统成为闭环。

放大器的功能是放大比较器的误差并将其馈送到直流电机。因此，只要增益为零稳态误差，它就可以像比例控制器一样运行。

受控信号根据反馈信号为PWM（脉冲宽度调制器）提供输入，以便它调制电机的输入以实现精确控制，否则稳态误差为零。此外，该脉宽调制器利用参考波形和比较器来产生脉冲。

通过建立闭环系统，可以获得加速度、速度或精确位置。众所周知，伺服电机是一种受控电机，由于反馈和控制器效应而提供首选输出。误差信号被简单地放大并用于驱动伺服电机。根据控制信号和脉冲宽度调制器产生的性质，这些电机具有使用FPGA芯片或数字信号处理器的高级控制方法。

直流伺服电机的工作原理是，每当输入信号施加到直流电机时，它就会旋转轴和齿轮。所以基本上，齿轮输出的旋转被反馈到位置传感器（电位器），其旋钮转动并改变它们的电阻。每当电阻发生变化时，电压就会发生变化，这是一个错误信号，会被馈送到控制器中，从而产生PWM。

传递函数

传递函数可以定义为o/p变量的拉普拉斯变换（LT）与i/p变量的LT（拉普拉斯变换）之比。通常情况下，直流电机将能量从电能转变为机械能。电枢端子处提供的电能转变为受控的机械能。

电枢控制的直流伺服电机传递函数如下图所示：

表示为：θ(s)/Va(s)= (K1/(Js2+Bs)*(Las+Ra))/1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

场控直流伺服电机传递函数如下图所示：

表示为：θ(s)/Vf(s) =Kf/(sLf+Rf) * (s2J+Bs)

与作为开环系统的场控直流伺服电机相比，电枢控制直流伺服电机由于闭环系统而提供优越的性能。此外，现场控制系统内的响应速度很慢。在电枢控制的情况下，电枢的电感可以忽略不计，而在励磁控制的情况下则不同。但是，在内场控制中，改进的阻尼是无法实现的，而在电枢控制中，它是可以实现的。

规格参数

直流伺服电机提供的性能规格包括以下内容，这些规格应根据应用的负载需求进行匹配，以正确确定电机的大小。

• 轴速简单地定义了轴转动时的速度，以RPM（每分钟转数）表示。
• 通常制造商提供的速度是o/p轴的空载速度或电机输出扭矩为零时的速度。
• 端电压是电机的设计电压，它决定了电机的转速，该速度仅通过增加或减少提供给电机的电压来控制。
• 转矩等旋转力由直流伺服电机的轴产生，因此该电机所需的扭矩仅由目标应用中不同负载的速度-扭矩特性决定，这些转矩是两种类型的启动转矩和连续转矩。
• 启动转矩是启动伺服电机时所需的转矩，与连续扭矩相比，该扭矩通常更高。
• 连续扭矩是输出扭矩，是电动机在恒定运行条件下的容量。
• 这些电机必须具有足够的速度和扭矩能力以满足应用需求，包括在负载要求和电机额定值之间留有20%至30%的余量，以确保可靠性。当这些余量超过太多时，成本效益就会降低。

以下Faulhaber 12V DC空心杯直流伺服电机的规格参数，可以作为参考：

• 齿轮箱传动比为64:1行星三级齿轮箱。
• 负载电流为1400 mA。
• 功率为17W。
• 转速为120RPM。
• 空载电流为75mA。
• 编码器的类型是光学编码器。
• 编码器的分辨率为768CPR的O/P轴。
• 直径为30mm。
• 长度为42mm。
• 总长度为85mm。
• 轴直径为6 毫米。
• 轴长为35mm。
• 失速扭矩为52kgcm。

功能特性

直流伺服电机的特性包括以下几方面内容：

• 直流伺服电机设计类似于永磁体或他励直流电机。
• 该电机的速度控制是通过控制电枢电压来完成的。
• 采用高电枢电阻设计。
• 提供快速的扭矩响应。
• 电枢电压的阶跃变化会导致电机速度的快速变化。

交流伺服电机与直流伺服电机

直流伺服电机和交流伺服电机之间的区别可以参看以下对比内容：

直流伺服电机与Arduino Uno接口

要以精确和所需的角度控制直流伺服电机，可以使用Arduino板/任何其他微控制器。该板具有模拟o/p，可生成 PWM信号，以精确的角度转动伺服电机。此外，还可以使用电位计或使用Arduino按钮移动伺服电机的角度位置。

伺服电机也可以使用现成的红外遥控器进行控制。该遥控器有助于将直流伺服电机移动到特定角度或使用红外遥控器线性增加或减少电机的角度。

在这里，小编将介绍如何使用Arduino以特定角度使用IR遥控器移动伺服电机，并使用遥控器顺时针和逆时针增加或减少伺服电机的角度。直流伺服电机与Arduino和红外遥控器的接口图如下所示：

该接口主要使用三个基本组件，包括直流伺服电机、Arduino板和TSOP1738红外传感器。该传感器具有三个端子，如Vcc、GND和输出。该传感器的Vcc端子连接到Arduino Uno板的5V，该传感器的GND端子连接到Arduino板的GND端子，输出端子连接到Arduino板的引脚12（数字输入）。

数字输出引脚5简单地连接到伺服电机的信号输入引脚以驱动电机。直流伺服电机+ve引脚提供给外部5V电源，伺服电机的GND引脚提供给Arduino的GND。

工作过程如下

红外遥控器用于执行30度、60度和90度三个动作，以及将电机角度从0度增加/减小到180度。

遥控器包含许多按钮，如数字按钮（0-9）、角度控制按钮、箭头键按钮、向上/向下按钮等。一旦按下1-5中的任何数字按钮，直流伺服电机将移动到该按钮精确的角度，当按下角度向上/向下按钮时，电机的角度可以精确设置为±5度。

一旦确定了按钮，这些按钮的代码就需要解码。一旦按下遥控器上的任何按钮，它就会发送一个代码来执行所需的操作。为了解码这些远程代码，从互联网使用了 IR远程库。

将以下程序上传到Arduino并连接红外传感器。现在将遥控器朝向红外传感器并按下按钮。之后，打开串行监视器并监视以数字形式按下的按钮的代码。

Arduino代码如下

#include <IRremote.h> // add IR remote library
#include <Servo.h> // add servo motor library
Servo servo1;
int IRpin = 12; // pin for the IR sensor
int motor_angle=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
decode_results results;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // initialize serial communication
Serial.println(“IR Remote controlled servo motor”); // display message
irrecv.enableIRIn(); // Start the receiver
servo1.attach(5); // declare servo motor pin
servo1.write(motor_angle); // move the motor to 0 deg
Serial.println(“Servo motor angle 0 deg”);
delay(2000);
}
void loop()
{
while(!(irrecv.decode(&results))); // wait until no button is pressed
if (irrecv.decode(&results)) // when button is pressed and code is received
{
if(results.value==2210) // check if digit 1 button is pressed
{
Serial.println(“servo motor angle 30 deg”);
motor_angle = 30;
servo1.write(motor_angle); // move the motor to 30 deg
}
else if(results.value==6308) // if digit 2 button is pressed
{
Serial.println(“servo motor angle 60 deg”);
motor_angle = 60;
servo1.write(motor_angle); // move the motor to 60 deg
}
else if(results.value==2215) // like wise for all digit buttons
{
Serial.println(“servo motor angle 90 deg”);
motor_angle = 90;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6312)
{
Serial.println(“servo motor angle 120 deg”);
motor_angle = 120;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==2219)
{
Serial.println(“servo motor angle 150 deg”);
motor_angle = 150;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6338) // if volume UP button is pressed
{
if(motor_angle<150) motor_angle+=5; // increase motor angle
Serial.print(“Motor angle is “);
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // and move the motor to that angle
}
else if(results.value==6292) // if volume down button is pressed
{
if(motor_angle>0) motor_angle-=5; // decrease motor angle
Serial.print(“Motor angle is “);
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // and move the motor to that angle
}
delay(200); // wait for 0.2 sec
irrecv.resume(); // again be ready to receive next code
}
}

直流伺服电机的电源由外部5V提供，红外传感器和Arduino板的电源由USB提供。一旦为伺服电机供电，它就会移动到0度。之后，消息将在串口监视器上显示为“servo motor angle is 0 deg”。

现在在遥控器上，一旦按下按钮1，直流伺服电机将移动30度。同样，一旦按下2、3、4或5等按钮，电机就会以所需的角度调速移动，如60度、90度、120度或150 度。现在，串口监视器将显示伺服电机的角度位置为“servo motor angle xx degrees”。

一旦按下音量增大按钮，电机的角度将增加5度，这意味着如果它是60度，那么它将移动到65度。因此，新角度的位置将显示在串口监视器上。

同样，一旦按下角度向下按钮，电机的角度将减小5度，这意味着如果角度为90度，则它将移动到85度。此外，来自红外遥控器的信号由红外传感器感应。

因此，新角度的位置将显示在串口监视器上，这样可以通过Arduino和IR遥控器轻松控制直流伺服电机的角度。

优缺点

直流伺服电机的优点包括以下几点内容：

• 运行比较稳定。
• 这些电机的输出功率远高于电机的尺寸和重量。
• 当这些电机高速运行时，它们不会产生任何噪音。
• 可以运行无振动和共振。
• 具有高扭矩惯性比，并且可以非常快速地拾取负载。
• 运行效率高。
• 能够快速响应。
• 四象限的操作是可以的。

直流伺服电机的缺点包括以下几点内容：

• 直流伺服电机的冷却机制效率低下，所以这个电机一旦通风就会很快被污染。
• 该电机以更高的扭矩速度产生最大输出功率并且需要常规传动装置。
• 这些电机可能因过载而损坏。
• 设计复杂并且需要一个编码器。
• 这些电机需要调整以稳定反馈回路。
• 需要定期维护。

主要应用

直流伺服电机的应用包括以下几方面内容：

• 用于金属切削和成型机床。
• 用于天线定位、印刷、包装、木工、纺织品、麻线或绳索制造、CMM（坐标测量机）、处理材料、抛光地板、医疗设备和晶圆旋转。
• 用于飞机控制系统，其中空间和重量限制需要电机为每个单位体积提供高功率。
• 这些适用于需要高启动扭矩的地方，例如鼓风机驱动器和风扇。
• 可用于机器人技术、编程设备、机电执行器、机床、过程控制器等。

总结

直流伺服电机是一种用于控制和调节机械运动的电机。它通过将直流电源应用于电机绕组，产生磁场，使转子旋转。直流伺服电机通常由一个转子、一个定子和一个电子控制器组成。

直流伺服电机的转子通常是由永磁体或电枢绕组构成，它们安装在一个轴上并与机械负载相连。定子通常由一组绕组构成，这些绕组产生磁场，并与转子磁场相互作用，从而产生转矩。电子控制器将控制信号发送到电机，以控制电机的运行和输出转矩。

直流伺服电机的优点是响应速度快、精度高、稳定性好和功率密度高。它们在精密位置控制和速度调节方面应用广泛，例如：自动化工业、医疗设备、机器人、航空航天、汽车和家用电器等领域。