Cơ cấu servo

Điều khiển vị trí

Một loại servo phổ biến có hỗ trợ điều khiển vị trí.  Thông thường, các cơ cấu servo có thể là điện, thủy lực hoặc khí nén. Chúng hoạt động trên nguyên lý phản hồi âm, trong đó đầu vào điều khiển được so sánh với vị trí thực tế của hệ thống cơ khí được đo lường bằng một số loại cảm biến tại đầu ra. Khoản chênh lệch giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn (một "tín hiệu sai số") được khuếch đại (và chuyển đổi) và được dùng để điều khiển hệ thống theo hướng cần thiết để giảm hoặc loại bỏ sai số. Quá trình này là một trong những ứng dụng được sử dụng rộng rãi của lý thuyết điều khiển. Các servo điển hình có thể cung cấp một đầu ra là chuyển động tròn (góc quay) hoặc đầu ra chuyển động thẳng.

Điều khiển tốc độ

Điều khiển tốc độ thông qua một thiết bị điều tốc là một loại cơ cấu servo khác. Động cơ hơi nước sử dụng các thiết bị điều tốc cơ khí; một ứng dụng ban đầu khác là để điều chỉnh tốc độ của bánh xe nước. Trước Thế chiến thứ II cánh quạt tốc độ không đổi được phát triển để điều khiển tốc độ động cơ máy bay. Điều khiển nhiên liệu cho động cơ tuabin khí sử dụng bộ điều tốc điện hoặc thuỷ lực.

Khác

Các cơ cấu servo vị trí đầu tiên được sử dụng trong điều khiển hỏa lực quân sự và thiết bị điều hướng hàng hải. Ngày nay, Cơ cấu servo được sử dụng trong các máy công cụ tự động, ăng-ten theo dõi vệ tinh, máy bay điều khiển từ xa, hệ thống định vị tự động trên tàu thuyền và máy bay, và hệ thống điều khiển súng phòng không. Những ví dụ khác là những hệ thống điều khiển bay trong máy bay, sử dụng các servo để phát động các bề mặt điều khiển của máy bay, và các mô hình điều khiển bằng radio sử dụng các RC servo với cùng mục đích. Nhiều máy ảnh tự động lấy nét cũng sử dụng một cơ cấu servo để di chuyển các ống kính một cách chính xác. Một ổ đĩa cứng có một hệ thống servo từ tính với độ định vị chính xác đến micromet. Trong các máy móc công nghiệp, servo được sử dụng để thực hiện các chuyển động phức tạp, trong nhiều ứng dụng.

Lịch sử

Thiết bị điều tốc động cơ hơi nước của James Watt thường được coi là hệ thống phản hồi thật sự đầu tiên. Các đuôi quạt cối xay gió là một ví dụ sớm nhất của điều khiển tự động, nhưng vì nó không có một bộ khuếch đại hoặc độ lợi, cho nên nó thường không được coi là một cơ cấu servo.
Thiết bị điều khiển vị trí phản hồi đầu tiên là động cơ lái tàu, được sử dụng để xác định vị trí bánh lái của những con tàu lớn dựa trên vị trí của vô lăng của con tàu đó. 
John McFarlane Grey là người tiên phong trong lĩnh vực này. Thiết kế được cấp bằng sáng chế của ông đã được sử dụng trên tàu SS Great Eastern vào năm 1866.
Joseph Farcot xứng đáng được nhớ đến với khái niệm phản hồi, với nhiều bằng sáng chế giữa năm 1862 và 1868.
Động cơ tổ hợp (telemotor) được phát minh khoảng năm 1872 bởi Andrew Betts Brown, cho phép tạo ra các cơ cấu giữa phòng điều khiển và động cơ được đơn giản hóa đi rất nhiều. Các động cơ lái hơi nước có những đặc điểm của một cơ cấu servo hiện đại: một đầu vào, một đầu ra, một tín hiệu sai số, và một phương tiện để khuếch đại tín hiệu sai số được sử dụng để phản hồi âm cho việc điều chỉnh sai số tiến tới giá trị zero. Cơ cấu công suất ngược Ragonnet là một bộ khuếch đại servo chạy bằng khí hoặc hơi nước đa mục đích dùng cho chuyển động thẳng được cấp bằng sáng chế vào năm 1909.
Các cơ cấu servo điện được sử dụng sớm nhất vào năm 1888 trong máy truyền điện bằng chữ viết của Elisha Gray.
Các cơ cấu servo điện đòi hỏi một bộ khuếch đại công suất. Thế chiến II đã nhìn thấy sự phát triển của các cơ cấu servo điều khiển hỏa lực điện, sử dụng một amplidyne làm bộ khuếch đại công suất. Các bộ khuếch đại ống chân không được sử dụng trong truyền động ổ băng UNISERVO cho máy tính UNIVAC I. Hải quân Hoàng gia Anh đã bắt đầu thử nghiệm điều khiển công suất từ xa (RPC) trên HMS Champion vào năm 1928 và bắt đầu sử dụng RPC để điều khiển đèn pha rọi máy bay địch trong đầu thập niên 1930. Trong Thế chiến thứ II, RPC đã được sử dụng để điều khiển giá pháo và thiết bị chỉ thị mục tiêu cho pháo.
Cơ cấu servo hiện đại sử dụng các bộ khuếch đại công suất trạng thái rắn, thường được cấu tạo từ MOSFET hoặc thyristor. Các servo nhỏ có thể sử dụng các transistor công suất.
Nguồn gốc của từ này được cho là lấy từ tiếng Pháp "Le Servomoteur"  hoặc slavemotor, lần đầu tiên được sử dụng bởi JJL Farcot vào năm 1868 để mô tả động cơ thủy lực và hơi nước được sử dụng trong hệ thống lái tàu thủy.
Loại servo đơn giản nhất sử dụng điều khiển bang-bang. Các hệ thống điều khiển phức tạp hơn sử dụng điều khiển tỷ lệ, điều khiển PID, và điều khiển không gian trạng thái, những điều này được nghiên cứu trong lý thuyết điều khiển hiện đại.