我們?yōu)檫\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造伺服驅(qū)動(dòng)器。”

當(dāng)有人問(wèn)“高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制是做什么的？”時(shí)，我們可能會(huì)給出這樣的答案。

對(duì)于某些人來(lái)說(shuō)，這就是他們需要知道的全部?jī)?nèi)容。對(duì)于其他人來(lái)說(shuō)，它可能提出的問(wèn)題多于答案。我們必須記住，并不是每個(gè)人都有運(yùn)動(dòng)控制、電子、甚至科學(xué)和工程方面的背景。

因此，我們將在不同的技術(shù)水平上復(fù)習(xí)伺服驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)知識(shí)，以便任何人和每個(gè)人都能對(duì)我們的工作有所了解。你可以在感覺(jué)舒服的時(shí)候停下來(lái)。

向 5 歲兒童解釋伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識(shí)

伺服驅(qū)動(dòng)器就像小型計(jì)算機(jī)，向電機(jī)供電并使其旋轉(zhuǎn)。

向 12 歲的孩子解釋伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識(shí)

追到現(xiàn)在？我希望如此。讓我們更詳細(xì)一點(diǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)器是由電路板、微芯片、電線和連接器制成的電子設(shè)備。它們連接到電動(dòng)機(jī)以控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。它們可以使電機(jī)隨時(shí)加速、減速、停止，甚至倒退。

他們通過(guò)控制和引導(dǎo)通過(guò)電機(jī)電線的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。如果沒(méi)有伺服驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)可能會(huì)無(wú)法控制地旋轉(zhuǎn)或根本不旋轉(zhuǎn)。

一些伺服驅(qū)動(dòng)器控制小型電機(jī)，例如機(jī)器人手臂的肘關(guān)節(jié)。其他伺服驅(qū)動(dòng)器控制大型電機(jī)，例如重型機(jī)械或電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)輪。更強(qiáng)大的電機(jī)需要更強(qiáng)大的伺服驅(qū)動(dòng)器。

向高中物理學(xué)生解釋伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識(shí)

希望你們?nèi)匀缓臀覀冊(cè)谝黄?，但這里開(kāi)始變得更加技術(shù)化。

伺服驅(qū)動(dòng)器如何工作以及使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因是什么？

驅(qū)動(dòng)電機(jī)

電機(jī)是如何旋轉(zhuǎn)的？

電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)主要部分：一個(gè)旋轉(zhuǎn)并連接到軸上的轉(zhuǎn)子，以及一個(gè)保持靜止并連接到框架上的定子。這些組件中的一個(gè)將具有常規(guī)磁鐵，而另一個(gè)具有繞組或“電磁鐵”，可以通過(guò)使電流流過(guò)它們來(lái)打開(kāi)它們。

通過(guò)連續(xù)打開(kāi)和關(guān)閉不同的繞組，可以獲得旋轉(zhuǎn)磁效應(yīng)。這會(huì)推動(dòng)常規(guī)磁鐵并導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

有刷電機(jī)在轉(zhuǎn)子中具有繞組，在定子中具有磁體，而無(wú)刷電機(jī)在定子中具有繞組，在轉(zhuǎn)子中具有磁體。

無(wú)論哪種方式，通過(guò)繞組的電流量控制扭矩量（轉(zhuǎn)動(dòng)的難度），而電壓控制電機(jī)的速度（轉(zhuǎn)動(dòng)的速度）。通過(guò)調(diào)節(jié)提供的電流和電壓，伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)軸的扭矩、速度和位置。

在無(wú)刷電機(jī)中，定子中的電磁體通電和斷電以旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)子。

命令與控制

大型控制器

但是你如何告訴伺服驅(qū)動(dòng)器的目標(biāo)是什么扭矩、速度和位置呢？簡(jiǎn)單的。您只需使用一個(gè)控制器，它可以是簡(jiǎn)單的撥號(hào)盤(pán)，也可以是復(fù)雜的計(jì)算機(jī)。

控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器的命令輸入發(fā)送一個(gè)信號(hào)（一個(gè)小但特定的電壓脈沖）。然后伺服驅(qū)動(dòng)器基本上將信號(hào)放大到電機(jī)所需的電流或電壓。

插入墻上插座的電源示例。

當(dāng)然，能量守恒定律告訴我們能量不能憑空產(chǎn)生。

那么這種放大的力量是從哪里來(lái)的呢？

伺服驅(qū)動(dòng)器連接到某種提供恒定電壓的電源單元（電池或插入的設(shè)備）。然后，伺服驅(qū)動(dòng)器獲取該電源電壓，并根據(jù)命令信號(hào)根據(jù)需要向電機(jī)供電。

回饋

如果您一直在跟蹤，到目前為止，我們已經(jīng)討論了伺服驅(qū)動(dòng)器連接到的 3 個(gè)主要組件：電機(jī)繞組、控制器和電源。但是伺服驅(qū)動(dòng)器連接到的第四個(gè)元素使它們?nèi)绱擞行В弘姍C(jī)反饋裝置。

駕駛員在路上使用車(chē)速表進(jìn)行反饋……或者至少負(fù)責(zé)任的駕駛員會(huì)這樣做。

作為人類(lèi)，我們一直使用反饋設(shè)備。我們汽車(chē)上的車(chē)速表告訴我們行駛速度有多快，因此我們知道是加速還是減速。烹飪溫度計(jì)讓我們知道我們的肉何時(shí)接近完成。壓力表讓我們知道自行車(chē)上的輪胎何時(shí)需要更多或更少的空氣?？蛻舴答佌{(diào)查告訴公司他們需要在哪里進(jìn)行調(diào)整。反饋使采取糾正措施變得容易得多。

大多數(shù)伺服電機(jī)都配備了某種反饋設(shè)備，例如編碼器，可以直接連接到伺服驅(qū)動(dòng)器。

具有反饋回路允許伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其發(fā)送到電機(jī)的電流和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。這確保了電機(jī)以所需的扭矩、所需的速度旋轉(zhuǎn)到所需的位置，而不受干擾。

增量編碼器是電機(jī)中用于跟蹤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的常見(jiàn)反饋裝置。

例如，假設(shè)外力開(kāi)始作用在電機(jī)軸上，導(dǎo)致其從所需速度減慢。來(lái)自電機(jī)的反饋信號(hào)指示真正的電機(jī)速度。然后伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)將真實(shí)速度與目標(biāo)速度進(jìn)行比較，并增加提供給電機(jī)的功率以進(jìn)行補(bǔ)償，直到達(dá)到適當(dāng)?shù)乃俣取?/span>

這類(lèi)似于當(dāng)您在汽車(chē)中使用巡航控制并開(kāi)始上山時(shí)。無(wú)需接觸任何東西，您的車(chē)載電腦就會(huì)進(jìn)行所有必要的更改，以使您的汽車(chē)在斜坡上保持相同的速度。在伺服驅(qū)動(dòng)器中，這一切發(fā)生的速度比人類(lèi)感知的要快，每秒有數(shù)千次調(diào)整。

享受閱讀？

你是那種永遠(yuǎn)不會(huì)停止學(xué)習(xí)的人嗎？

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向大學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生解釋伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識(shí)

好吧，聰明的褲子，你想要好東西嗎？干得好。

到目前為止，我們一直將伺服驅(qū)動(dòng)器視為帶有進(jìn)出它們的電力和電線的小魔盒。我們知道他們做什么，但不知道他們是怎么做的。讓我們看看里面到底發(fā)生了什么。

負(fù)反饋循環(huán)

伺服驅(qū)動(dòng)器通常被稱(chēng)為伺服放大器，因?yàn)閺谋举|(zhì)上講，它們就是這樣做的。它們放大命令信號(hào)。但正是基于反饋的控制的發(fā)展使它們成為更復(fù)雜和有用的設(shè)備。

正如我們所提到的，伺服驅(qū)動(dòng)器使用反饋回路來(lái)糾正錯(cuò)誤。

在運(yùn)動(dòng)控制和大多數(shù)其他控制過(guò)程中，使用負(fù)反饋回路來(lái)糾正錯(cuò)誤。

在負(fù)反饋回路中，系統(tǒng)輸出信號(hào)（來(lái)自測(cè)量值）從系統(tǒng)參考輸入（目標(biāo)值）中減去，以創(chuàng)建新的輸入值（誤差信號(hào)）。

看看這個(gè)簡(jiǎn)單的框圖。

一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)反饋循環(huán)。

例如，您的目標(biāo)是 5，而您的測(cè)量值為 3。誤差信號(hào)最終將是 +2。如果您的目標(biāo)是 5，而您的測(cè)量值為 7，則誤差信號(hào)為 -2。

所以如果一個(gè)系統(tǒng)的輸出太高，誤差信號(hào)就會(huì)是負(fù)的，系統(tǒng)會(huì)向負(fù)方向響應(yīng)，從而降低輸出。如果系統(tǒng)的輸出過(guò)低，則誤差為正，系統(tǒng)將向正方向響應(yīng)以提高輸出。

這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)，使誤差盡可能接近于零。

這種負(fù)反饋是必不可少的。如果反饋是積極的（換句話說(shuō)，如果您將測(cè)量值添加到目標(biāo)而不是減去它），那么過(guò)快的系統(tǒng)會(huì)通過(guò)更快的速度來(lái)補(bǔ)償，或者過(guò)慢的系統(tǒng)會(huì)停止或最終運(yùn)行相反。

幾乎所有的伺服驅(qū)動(dòng)器都能夠關(guān)閉電流環(huán)，但其他驅(qū)動(dòng)器也可以關(guān)閉速度環(huán)甚至位置環(huán)。如果系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器只能閉合電流回路，但機(jī)器還需要閉合速度和位置回路，那么控制器將需要閉合這些額外的回路。

收益

誤差信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)“增益”，也就是放大步驟，將系統(tǒng)輸入用于產(chǎn)生系統(tǒng)輸出。在某些系統(tǒng)中，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的比例增益。

讓我們將其視為麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器設(shè)置。你對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)話，你的聲音被放大了。如果你在學(xué)校禮堂里對(duì) 20 個(gè)人講話，那么你可能只是有一點(diǎn)點(diǎn)增益，讓你的聲音聽(tīng)起來(lái)是你實(shí)際聲音的兩到三倍。但是，如果您在戶外活動(dòng)中與數(shù)百人交談，那么您將需要更大的增益，以便每個(gè)人都能聽(tīng)到您的聲音，因此您可能會(huì)讓系統(tǒng)使您的聲音響亮十倍以上. 在任何一種情況下，你對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)話的聲音越大，發(fā)出的聲音就會(huì)越大。

帶有伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本反饋回路。伺服驅(qū)動(dòng)器編譯誤差信號(hào)，然后“放大”它以獲得伺服驅(qū)動(dòng)器輸出。

因此，在一個(gè)應(yīng)用的伺服驅(qū)動(dòng)器中，您的比例增益常數(shù)可能為 5 A/V，其中 1V 輸入產(chǎn)生 5A 輸出，2V 輸入產(chǎn)生 10A 輸出等。

在另一個(gè)應(yīng)用中，您的比例增益常數(shù)可能為 10 A/V，其中 1V 輸入產(chǎn)生 10A 輸出，2V 輸入產(chǎn)生 20A 輸出等。

PID控制

對(duì)于某些過(guò)程，比例增益足以進(jìn)行控制。但是對(duì)于大多數(shù)過(guò)程，例如機(jī)器人技術(shù)，需要更精確的控制。最普遍的控制方案之一是（比例、積分、微分）控制。

在 PID 中，比例增益乘以當(dāng)前誤差值，積分增益乘以誤差隨時(shí)間的累積（積分）和微分增益乘以誤差隨時(shí)間的變化（微分）。這幾乎總是可以更精確地糾正錯(cuò)誤，減少過(guò)沖和振蕩等問(wèn)題。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本反饋回路，帶有具有 PID 控制的伺服驅(qū)動(dòng)器。

向系統(tǒng)設(shè)計(jì)師解釋伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識(shí)

恭喜你，如果你做到了這一步?，F(xiàn)在讓我們超越簡(jiǎn)單的控制器-驅(qū)動(dòng)器-電機(jī)組合，看看伺服驅(qū)動(dòng)器如何融入完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

功率等級(jí)

并非所有的伺服驅(qū)動(dòng)器都是一樣的。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)標(biāo)稱(chēng)工作電壓以及最大峰值和連續(xù)電流額定值。盡管在提高功率密度方面已經(jīng)取得了許多進(jìn)步（尤其是近年來(lái)我們的 FlexPro 驅(qū)動(dòng)器系列），但更大的伺服驅(qū)動(dòng)器通常會(huì)更強(qiáng)大，并且電流控制的分辨率更低。

也許一個(gè) 5 歲的孩子可以理解這一點(diǎn)，但以防萬(wàn)一，不要嘗試用笨重的 80 安培伺服驅(qū)動(dòng)器為微型 5 安培電機(jī)供電，也不要嘗試用微型 5 安培伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行重型 80 安培電機(jī)駕駛。

面板安裝伺服驅(qū)動(dòng)器

構(gòu)成因素

伺服驅(qū)動(dòng)器有各種形狀和尺寸，有些更適合不同的應(yīng)用。

面板安裝

面板安裝伺服驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)金屬底板和一個(gè)塑料或薄金屬蓋，它們包圍著 PCB。

底板上的孔或槽口用于使用螺栓或螺釘將驅(qū)動(dòng)器安裝到平面上。

這些是傳統(tǒng)形式的伺服驅(qū)動(dòng)器，通常用于機(jī)械。

PCB安裝

PCB安裝伺服驅(qū)動(dòng)器

PCB 安裝伺服驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有任何外殼或覆蓋物。它們旨在使用引腳或焊接直接安裝到另一個(gè)電路板上，類(lèi)似于連接子組件的方式。

它們非常緊湊并提供可靠的連接，但對(duì)元素的保護(hù)較少。這些通常用于固定和移動(dòng)機(jī)器人。

PCB 安裝驅(qū)動(dòng)器有時(shí)會(huì)插入安裝卡，以提供更傳統(tǒng)的電線和電纜連接，同時(shí)保持其緊湊性。這可以省去機(jī)器設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)具有精確引腳連接器以匹配驅(qū)動(dòng)器的 PCB 的麻煩。

車(chē)載伺服驅(qū)動(dòng)器

車(chē)載支架

車(chē)載伺服驅(qū)動(dòng)器由厚塑料外殼和沉重的底板緊密封裝。螺釘接線片用于允許高電流。顧名思義，這些用于移動(dòng)應(yīng)用程序。

無(wú)論外形如何，在性能方面它們都工作相同。不同之處更多是與不同行業(yè)和不同應(yīng)用的安裝難易程度有關(guān)。

網(wǎng)絡(luò)

在機(jī)器人、移動(dòng)車(chē)輛、機(jī)器和其他運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，可能會(huì)有不止一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。這意味著不止一臺(tái)電機(jī)，這通常意味著不止一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器。控制器需要向所有這些伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送命令。

控制器有兩種方法來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于模擬伺服驅(qū)動(dòng)器，需要集中控制方案，其中控制器單獨(dú)連接到每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。

在網(wǎng)絡(luò)上安裝伺服驅(qū)動(dòng)器可以簡(jiǎn)化接線。數(shù)據(jù)和命令可以沿著單個(gè)網(wǎng)絡(luò)總線流向每個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此控制器不需要直接連接到每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

然而，對(duì)于數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)分布式控制方案。網(wǎng)絡(luò)將伺服驅(qū)動(dòng)器鏈接在一起。消息或數(shù)據(jù)包可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，伺服驅(qū)動(dòng)器將響應(yīng)發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)。

有多種不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。EtherCAT 或 EtherNet/IP 等實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)極快的響應(yīng)時(shí)間，在不到一毫秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)送更新。CANopen 或 ModBus 等其他網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有那么快，但實(shí)施起來(lái)更容易且成本更低。

每個(gè)ADVANCED Motion Controls 數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)都是為特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的，有許多選項(xiàng)可供選擇，包括定制。

其他類(lèi)型的電機(jī)

就像手機(jī)的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了打電話的范圍一樣，伺服驅(qū)動(dòng)器如今可以做的不僅僅是運(yùn)行伺服電機(jī)。

除了標(biāo)準(zhǔn)的有刷和無(wú)刷伺服電機(jī)外，伺服驅(qū)動(dòng)器還可用于控制直線電機(jī)、兩相和三相步進(jìn)電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、音圈等。

直線電機(jī)在電氣上類(lèi)似于“展開(kāi)”的無(wú)刷伺服電機(jī)，因此很容易由數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器控制。

即使您的系統(tǒng)有多種電機(jī)類(lèi)型，您也很有可能使用相同或相似型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制它們，從而簡(jiǎn)化您的設(shè)計(jì)。

輸入輸出

I/O（輸入/輸出）功能用于數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器，以允許它們與系統(tǒng)中的其他設(shè)備交換高/低信號(hào)。這些設(shè)備可以是溫度傳感器、限位開(kāi)關(guān)、壓力傳感器，甚至是其他伺服驅(qū)動(dòng)器。

使用 I/O 可以很好地讓伺服驅(qū)動(dòng)器控制機(jī)器上的簡(jiǎn)單功能并減輕控制器和/或網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

隔離

您的伺服驅(qū)動(dòng)器或電源都需要電氣隔離。否則，您最終可能會(huì)得到一個(gè)浮動(dòng)接地，最終會(huì)炸毀您的伺服驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)中的其他組件。您要么需要帶有內(nèi)置光學(xué)隔離的伺服驅(qū)動(dòng)器，要么需要帶有隔離變壓器的電源。此規(guī)則的例外情況是電池供電系統(tǒng)和帶有伺服驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)，這些伺服驅(qū)動(dòng)器旨在直接獲取交流電源。

獎(jiǎng)勵(lì)：哲學(xué)家的伺服驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

如果伺服驅(qū)動(dòng)器是一種將電流和電壓推向電機(jī)的設(shè)備，那么如果將其與系統(tǒng)斷開(kāi)，它仍然是伺服驅(qū)動(dòng)器嗎？