伺服馬達的種類與運作原理

二月 12, 2018
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從玩具到機器人,甚或家用DVD播放器,伺服馬達遍佈在我們的生活中。伺服馬達依運轉方式,可以區分為非常多種。要挑選出適合你的馬達,得先了解其中的差別。
簡單來說,伺服馬達獨立運作,靠電力驅動,會依照設計者給予的命令和指定位置作動。在接收到命令時,移動至某一位置,靠反作用力保持在該位置上一段時間。馬達使用內部的線性或旋轉致動器,透過速度和加速度,控制直線或不同角度上的位置。伺服馬達大多經由電線、地線和控制線,於電壓4.5V至6V的環境運作。

​DC伺服馬達轉速高、力矩小,其餘組件再將其轉化為轉速低、力矩大的輸出動力。此設計能在短時間內產生強大的力量,正是經典物理公式「W = F×D」(功=力×位移)的最佳示範。

三大類伺服馬達

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標準型伺服馬達
此類型馬達的設計只能在範圍180度以內旋轉,不可超出限制。適用於轉動範圍不大的裝置,如槓桿或車輪的連桿機構。
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連續旋轉伺服馬達
若說標準型擅長的領域是槓桿,那麼連續旋轉伺服馬達就在於輪子和齒輪結構,能朝任何方向連續旋轉。即使安裝多組馬達,也能各自朝不同方向運作。
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線性伺服馬達
這種馬達的齒輪比標準型多,其餘部分非常相似。內部的齒條機構,使馬達運作呈現來回往返,而非旋轉的模式。常見於大型機器人和遙控飛機的構造中。

脈衝寬度調變(PWM)

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伺服馬達內含有迷你電路板,配有一個感測器,對自動控制器、電腦或微控制器傳遞控制訊號。控制器收到訊號後,會將它轉化為帶有不同電壓的電磁脈衝,再傳給馬達,以控制馬達的旋轉角度。這種技術稱作「脈衝寬度調變」(PWM)。

裡面有什麼

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攝影:Hep Svadja
伺服馬達豐富的功能要歸功於內部的元件。規格化且可替換的組件減輕了設計的困難,適用於各種硬體介面,有非常廣泛的用途。DC馬達的小體積讓伺服系統尺寸也能減到最小。變速齒輪組則能在產生強大力矩的同時,兼具精密校準能力。控制板負責監控馬達位置,提供使用者操作介面。

類比vs. 數位

類比和數位伺服馬達的外觀一模一樣,差別在於處理訊號的方式。
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類比伺服馬達主要由PWM傳送的ON和OFF電流訊號驅動。馬達停止時,除非另外給予指令,否則PWM也會進入休眠狀態。若在休眠狀態下重啟馬達,會使初始反應時間延遲,應用於較高階的裝置時是個問題。
 
數位伺服馬達內建微處理器,能以高頻率的脈衝傳遞控制訊號。類比馬達每秒處理50個脈衝波,數位則可處理高達300個。透過高頻率的脈衝控制馬達,反應更加迅速和穩定,其優點便在於此,不過耗電量高出許多。

(譯:蔡牧言)
【原文】

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