Servo Motor

又稱: Servomotor
類別: Actuation & drivetrain › Motors
標籤: motors, actuation

透過回饋機制實現精確位置、速度與加速度控制的電動馬達。

定義

一種透過閉迴路回饋機制，精確控制角位置、速度與加速度的電動馬達。

伺服馬達由以下部分組成： - 一個 DC 或 AC 馬達 - 一個位置感測器（編碼器或電位器） - 一個控制電路

它們是精確控制機器人關節不可或缺的元件，為手臂、夾爪與其他活動零件提供準確的定位。

為何重要

伺服馬達的意義，在於區分一顆只會轉動的馬達與一個知道自己在哪裡的關節。一般馬達只把電流轉換成運動，此外什麼也不做；伺服機則圍繞位置建立回饋迴路，讓控制器下達 47 度就能得到 47 度。幾乎所有業餘與研究用的機器手臂都是以伺服機打造，因為少了這個迴路，每個關節都需要各自獨立的編碼器、驅動器與控制邏輯。伺服機的選擇（業餘 PWM、串列匯流排或工業級），在挑選任何其他元件之前，就已決定了整台機器人的成本、精度與配線複雜度。

主要應用

機器手臂關節：具保持扭矩的位置控制旋轉，是低成本機器手臂的標準基本元件
夾爪與末端執行器：由單一伺服機驅動夾爪，並以電流感測作為粗略的夾持力限制
雲台攝影機座：兩個伺服機讓感測頭在軟體控制下指向特定方向
足式機器人關節：業餘規模四足機器人與六足機器人的髖、膝與踝驅動
源自遙控模型之平台的轉向與油門：伺服機用來定位連桿，而不是驅動車輪
測試台與治具：為攝影機校正、感測器掃描與自動量測提供可重複的定位

實際應用

SO-101 與 Koch v1.1 手臂幾乎完全以 Feetech STS3215 串列匯流排伺服機打造，這正是它們只要幾百歐元就能自行組裝的原因。每個伺服機內含一顆直流馬達、一個減速箱、一個磁性編碼器與一塊控制板，並以單一條三線匯流排菊鏈串接：一條線纜把電源與資料送經每個關節，每個伺服機各自回應自己的 ID。這也是為什麼組裝指南堅持要你在機構組裝之前，先在工作台上為每個伺服機寫入 ID：伺服機一旦埋進關節裡，要碰到它的接頭就得把手臂拆掉一部分。

常見誤解

伺服機只是一顆馬達：它是由馬達、減速箱、位置感測器與控制器組成的閉迴路組件，回饋才是重點
扭矩規格越高越好：提高扭矩的齒輪會降低速度並增加背隙，而過大的伺服機會浪費負載預算
伺服機能完美維持位置：它們能抵抗干擾直到扭矩極限，之後就會被反向驅動或過熱；靜態撐住重負荷是燒毀伺服機的常見原因
業餘 PWM 伺服機與串列匯流排伺服機可以互換：PWM 伺服機接收脈衝寬度指令，不回報任何資訊，而匯流排伺服機可定址，並會回報位置、溫度與負荷

誰需要了解

任何依照公開物料清單打造或維修低成本機器手臂的人
為新關節在伺服機、步進馬達與準直驅之間做選擇的工程師
比較手臂套件的採購者，伺服機等級大致說明了價差
從模擬轉向硬體的學生，扭矩與熱極限在此第一次變得真實
任何在診斷某個特定關節變得不準、發燙或吵雜之機器人的人

影片

Servo Motors, how do they work?: The Engineering Mindset

維基百科

伺服馬達

Open Source Robotics