用於機械人的馬達

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上期說過,機械人的運動必須依指令工作,所以馬達的設計必須容許隨意轉動和停止。步進馬達(Step motor)和伺服馬達(Servo motor,或稱為伺服電機),便是為解決馬達的定位及速度控制問題而設。

 

 

 

不 論是運作和應用上,步進馬達都跟DC直流馬達有所不同。圖1展示了一幅簡化了的步進馬達概念圖。當中的兩塊電磁鐵,是令到轉子能夠隨意被控制的關鍵。在圖 2的第一步,由於P1和P2的極性是南極,而轉子的北極(N)正處於P1和P2的中間,因此轉子會停留不動。到了第二步,P2和P4的極性改變了,令轉子 的北極受到P2排斥,向順時針方向移動(當然亦可以說是轉子是因為南極受到P4的排斥而轉動),直到轉子移到P1和P4的中央才停下來。要留意,當轉子的 北極移動到正對著P1的時候,轉子不會停下來。仔細一點解釋,P2和P4的極性同樣對轉子產生一道吸力,令轉子在受到P1和P3影響的同時,仍會向著P2 和P4轉動。

利用上述的情況,只要令P1到P4的極性能跟隨指令做適當的改變,我們便可以隨意控制轉子的運動。例如圖2由第一步到第四步的過程之中,P1到P4不停的改變極性,而它們改變的時間又很快的時候,便足以令轉子持續向順時針方向轉動。


步行馬達概念圖

步行馬達的運作

其 實除了步進馬達之外,伺服馬達同樣可以藉著指令來控制其活動,它能夠以直流或交流驅動。我們常見的遙控玩具如遙控車、遙控飛機、遙控直昇機等都是採用直流 伺服馬達。它是利用DC馬達加上「反饋」(Feedback)控制電路,令馬達的位置能夠被穩定地控制在某一位置。所謂「反饋」,是在控制過程中,每次將 測速器送回來的輸出控制數值,跟輸入控制數值進行比較和調節,並將這個過程不斷重複,直至將馬達調整到所需要的位置為止。這種控制方式被稱為「閉迴路控 制」(Closed-loop control)。嚴格來說,伺服馬達是DC馬達的應用方式,而非另一類型馬達。

步 進馬達與伺服馬達的控制方法除了傳統的電子線路外,亦可用微處理器,透過程式指令,控制馬達內電磁鐵的開關次序來達到定位目的。縱然兩者在概念上都是為了 定位及速度控制,但它們卻各自有其適用的地方。步進馬達適用於「迷宮老鼠」、準確度要求較高的機械人,而伺服馬達則較適用於小型機械人或需要步行的機械 人。
步進馬達 伺服馬達
價格較低。 價格較高。
在起動的一剎那無法加大扭力(Torque)。 在起動的一剎那能提供兩倍以上的扭力,足以克服機械起動時的摩擦力。
電路設計較簡單。 電路設計較複雜。
低速轉動時有噪音及震動。 低速轉動時不會有噪音及震動。
馬達轉速越高,扭力越小。 在特定轉速範圍內扭力是固定的。
持續運轉時,馬達溫度會有所上升。 持續運轉時,馬達溫度上升很小。

遙控玩具的伺服馬達

伺服馬達的內部結構

伺服馬達的控制電路