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伺服电机

伺服电机是一个小驱动装置，带有电机、齿轮箱和内部电子装置。你给它一个位置，它尝试将轴旋转到该位置并保持它。

在简单的设备中，伺服很方便，当你需要的不仅仅是打开电机，而是将机制旋转到可理解的角度时：打开阻尼器、转移锁定、按下按钮、切换气流或旋转小指示标志。

用途

在 iDryer 等设备和 3D 打印机外围设备中，伺服可用于：

  • 空气进取或排气阻尼器；
  • 风道切换；
  • 打开/关闭小盖；
  • 机械锁定；
  • 按下物理按钮；
  • 移动指示标志；
  • 简单的分配或捕捉。

伺服适合旅行有限的轻型机制。对于风扇、螺钉或泵的连续旋转，它通常不工作：你需要不同的电机和驱动器。

三根线

典型的业余伺服有三条线：

  • 电源：通常 4.8-6V，有时 7.4V 或特殊型号上的其他值；
  • 地：GND；
  • 信号：来自控制器的控制脉冲。

常见的线颜色：

  • 红 - 电源；
  • 黑或棕 - 地；
  • 黄、橙或白 - 信号。

你不能盲目信任颜色。不同的制造商使用不同的颜色方案。连接前，检查标记、产品页面或技术描述。

带有单独电源的详细连接图在实用部分：连接伺服电机。

"伺服电机"是什么意思

在典型的位置业余伺服内部，有：

  • DC 电机；
  • 齿轮箱；
  • 位置传感器，通常是电位计；
  • 控制板；
  • 带臂的输出轴。

外部控制器不直接管理电机。它发送位置信号，伺服的内部电子装置自动转动电机，使轴达到所需的角度。

所以伺服与常规 DC 电机不同：

  • DC 电机在通电时只是旋转；
  • 伺服尝试达到设置的位置；
  • 伺服即使在保持状态下，如果轴上有负载，也会吸取电流；
  • 如果卡住，伺服可快速增加电流并变热。

位置和连续旋转

最常见的类型是位置伺服。你设置一个角度，例如 0、90 或 180 度。

连续旋转伺服看起来相似但工作方式不同：控制信号设置的不是角度，而是旋转的方向和速度。它不知道轴在哪里。对于阻尼器或锁定，这样的伺服通常不方便，因为没有额外的传感器，你无法保证位置。

购买前，检查描述说什么：

  • 标准伺服、位置伺服、180° - 通常是位置；
  • 连续旋转、360° - 通常连续旋转，而不是定位到角度。

市场上短语 360° 伺服 有风险：有时它是连续旋转伺服，有时只是扩展范围。你需要检查技术描述和带真实测量的评论。

控制信号

典型的业余伺服由重复脉冲控制。

典型指南：

  • 周期约 20 ms；
  • 脉冲约 1 ms - 范围的一个边缘；
  • 脉冲约 1.5 ms - 中间；
  • 脉冲约 2 ms - 范围的另一个边缘。

不同的伺服有不同的实际限制。有些工作约 500-2500 us，其他安全仅在更窄的范围内。

所以极端位置不能盲目设置。首先检查中间，然后小偏差，只有然后扩展范围。

功率和电流

信号线不为伺服供电。它从电源线吸取电机能量。

即使是小伺服在启动、快速移动或机械停止时也可以短暂吸取大电流。平均电流"在安静演示中"不显示最坏情况。

重要参数：

  • 工作电压；
  • 无负载电流；
  • 负载电流；
  • 停止电流 - 轴被堵塞时的电流；
  • 保持力矩或停止力矩；
  • 旋转速度；
  • 工作温度。

如果技术描述列出停止电流，电源必须用该值和裕度选择。如果未列出停止电流，你不能认为电源"视觉上安全"：对于真实设备，最好使用有裕度的源并检查负载下的压降。

对于一个小伺服，板的 5V 输出有时工作。但对于阻尼器、锁定或多个伺服，你通常需要单独的 5V/6V DC-DC 转换器或电源。地必须与控制器共享。

力矩和机制

伺服不仅仅按大小选择。主要的机械参数是力矩，通常以 kg·cm 或 N·cm 为单位。

大致：

  • 杠杆越长，需要的力矩越多；
  • 阻尼器越重或机制越紧，需要的力矩越多；
  • 摩擦、不对齐和密封大大增加负载；
  • 当在停止处保持时，伺服加热并吸取电流。

例子：小轻阻尼器可能与微型伺服很好地工作。紧密密封的阻尼器或带弹簧的盖可能需要更大的伺服，带金属齿轮。

对于可靠的机制：

  • 不要强制伺服不断推动物理停止；
  • 限制固件中的角度；
  • 留下小的行程余量；
  • 制造没有不对齐的连接；
  • 使用合适的臂长；
  • 在真实机箱温度下测试操作。

如果伺服在末端位置嗡嗡作响，它通常发出负载、停止或错误的几何形状的信号。

齿轮箱：塑料或金属

塑料齿轮更便宜、更安静，适用于轻型任务。但它们在碰撞、卡顿和重负载时快速断裂。

金属齿轮更强，但伺服可能更响亮、更重和更昂贵。对于用户可能意外接触的阻尼器、锁定和机制，金属齿轮箱通常有意义。

但金属齿轮不能替代好机制。如果机制卡住，它可能损坏臂、机箱、安装或轴本身。

模拟和数字伺服

在简单的项目中，模拟业余伺服更常见。数字伺服通常持有位置更坚硬并响应更快，但在保持时可能吸取更多电流并更吵。

对于干燥机阻尼器或简单锁定，通常更重要的是：

  • 足够的力矩；
  • 正常的电源；
  • 可靠的机制；
  • 清晰的角度范围；
  • 工作温度；
  • 齿轮箱寿命。

"数字"不会自动使伺服对设备有好处。

购买前的检查清单

购买伺服前，检查：

  • 位置或连续旋转；
  • 工作电压；
  • 所需的电流和停止电流（如列出）；
  • 力矩；
  • 旋转速度；
  • 角度范围；
  • 齿轮箱材料；
  • 机箱尺寸；
  • 连接器类型；
  • 线长；
  • 工作温度；
  • 技术描述或合理规格的可用性。

对于小旗，你可以使用微型伺服。对于阻尼器带密封、锁定或在温暖腔室中的杠杆，最好不要选择没有规格的最便宜的伺服。

典型错误

  • 从 GPIO 为伺服供电；
  • 从弱板 5V 引脚供电；
  • 用单独电源忘记了公共地；
  • 信任了不检查的线颜色；
  • 混淆了位置伺服和连续旋转伺服；
  • 没有考虑停止电流；
  • 将伺服放在机械停止处；
  • 使用角度 0 或 180 当机制安全仅在狭窄范围内移动时；
  • 仅按大小选择伺服，不计算力矩；
  • 将塑料齿轮放在可能碰撞或卡顿的地方；
  • 将伺服放在加热器附近而不检查温度。

主要点

伺服是用于阻尼器、锁定和小型机制的方便组件，但它需要正常的电源和仔细的机制。控制器的信号仅设置位置，所有电机电流都通过电源线。

使用前，检查伺服类型、电压、力矩、电流、角度范围和末端位置处的机械行为。

参考资料