伺服驅動(dòng)器基礎

我們?yōu)檫\動(dòng)控制系統設計和制造伺服驅動(dòng)器?！?/span>

當有人問(wèn)“高級運動(dòng)控制是做什么的？”時(shí)，我們可能會(huì )給出這樣的答案。

對于某些人來(lái)說(shuō)，這就是他們需要知道的全部?jì)热?。對于其他人?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)水平上復習伺服驅動(dòng)器的基礎知識，以便任何人和每個(gè)人都能對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 歲兒童解釋伺服驅動(dòng)器基礎知識

伺服驅動(dòng)器就像小型計算機，向電機供電并使其旋轉。

向 12 歲的孩子解釋伺服驅動(dòng)器基礎知識

追到現在？我希望如此。讓我們更詳細一點(diǎn)。

伺服驅動(dòng)器是由電路板、微芯片、電線(xiàn)和連接器制成的電子設備。它們連接到電動(dòng)機以控制電動(dòng)機的旋轉。它們可以使電機隨時(shí)加速、減速、停止，甚至倒退。

他們通過(guò)控制和引導通過(guò)電機電線(xiàn)的電流來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。如果沒(méi)有伺服驅動(dòng)器，電機可能會(huì )無(wú)法控制地旋轉或根本不旋轉。

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

向高中物理學(xué)生解釋伺服驅動(dòng)器基礎知識

希望你們仍然和我們在一起，但這里開(kāi)始變得更加技術(shù)化。

伺服驅動(dòng)器如何工作以及使電機旋轉的原因是什么？

驅動(dòng)電機

電機是如何旋轉的？

電動(dòng)機有兩個(gè)主要部分：一個(gè)旋轉并連接到軸上的轉子，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)連續打開(kāi)和關(guān)閉不同的繞組，可以獲得旋轉磁效應。這會(huì )推動(dòng)常規磁鐵并導致轉子旋轉。

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

無(wú)論哪種方式，通過(guò)繞組的電流量控制扭矩量（轉動(dòng)的難度），而電壓控制電機的速度（轉動(dòng)的速度）。通過(guò)調節提供的電流和電壓，伺服驅動(dòng)器控制電機軸的扭矩、速度和位置。

在無(wú)刷電機中，定子中的電磁體通電和斷電以旋轉磁轉子。

命令與控制

大型控制器

但是你如何告訴伺服驅動(dòng)器的目標是什么扭矩、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)單的撥號盤(pán)，也可以是復雜的計算機。

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

插入墻上插座的電源示例。

當然，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（電池或插入的設備）。然后，伺服驅動(dòng)器獲取該電源電壓，并根據命令信號根據需要向電機供電。

回饋

如果您一直在跟蹤，到目前為止，我們已經(jīng)討論了伺服驅動(dòng)器連接到的 3 個(gè)主要組件：電機繞組、控制器和電源。但是伺服驅動(dòng)器連接到的第四個(gè)元素使它們如此有效：電機反饋裝置。

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

作為人類(lèi)，我們一直使用反饋設備。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?hù)反饋調查告訴公司他們需要在哪里進(jìn)行調整。反饋使采取糾正措施變得容易得多。

大多數伺服電機都配備了某種反饋設備，例如編碼器，可以直接連接到伺服驅動(dòng)器。

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

增量編碼器是電機中用于跟蹤旋轉運動(dòng)的常見(jiàn)反饋裝置。

例如，假設外力開(kāi)始作用在電機軸上，導致其從所需速度減慢。來(lái)自電機的反饋信號指示真正的電機速度。然后伺服驅動(dòng)器會(huì )將真實(shí)速度與目標速度進(jìn)行比較，并增加提供給電機的功率以進(jìn)行補償，直到達到適當的速度。

這類(lèi)似于當您在汽車(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，每秒有數千次調整。

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向大學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生解釋伺服驅動(dòng)器基礎知識

好吧，聰明的褲子，你想要好東西嗎？干得好。

到目前為止，我們一直將伺服驅動(dòng)器視為帶有進(jìn)出它們的電力和電線(xiàn)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。

負反饋循環(huán)

伺服驅動(dòng)器通常被稱(chēng)為伺服放大器，因為從本質(zhì)上講，它們就是這樣做的。它們放大命令信號。但正是基于反饋的控制的發(fā)展使它們成為更復雜和有用的設備。

正如我們所提到的，伺服驅動(dòng)器使用反饋回路來(lái)糾正錯誤。

在運動(dòng)控制和大多數其他控制過(guò)程中，使用負反饋回路來(lái)糾正錯誤。

在負反饋回路中，系統輸出信號（來(lái)自測量值）從系統參考輸入（目標值）中減去，以創(chuàng )建新的輸入值（誤差信號）。

看看這個(gè)簡(jiǎn)單的框圖。

一個(gè)簡(jiǎn)單的負反饋循環(huán)。

例如，您的目標是 5，而您的測量值為 3。誤差信號最終將是 +2。如果您的目標是 5，而您的測量值為 7，則誤差信號為 -2。

所以如果一個(gè)系統的輸出太高，誤差信號就會(huì )是負的，系統會(huì )向負方向響應，從而降低輸出。如果系統的輸出過(guò)低，則誤差為正，系統將向正方向響應以提高輸出。

這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)，使誤差盡可能接近于零。

這種負反饋是必不可少的。如果反饋是積極的（換句話(huà)說(shuō)，如果您將測量值添加到目標而不是減去它），那么過(guò)快的系統會(huì )通過(guò)更快的速度來(lái)補償，或者過(guò)慢的系統會(huì )停止或最終運行相反。

幾乎所有的伺服驅動(dòng)器都能夠關(guān)閉電流環(huán)，但其他驅動(dòng)器也可以關(guān)閉速度環(huán)甚至位置環(huán)。如果系統的伺服驅動(dòng)器只能閉合電流回路，但機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

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

讓我們將其視為麥克風(fēng)和揚聲器設置。你對著(zhù)麥克風(fēng)說(shuō)話(huà)，你的聲音被放大了。如果你在學(xué)校禮堂里對 20 個(gè)人講話(huà)，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(hù)外活動(dòng)中與數百人交談，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 )讓系統使您的聲音響亮十倍以上. 在任何一種情況下，你對著(zhù)麥克風(fēng)說(shuō)話(huà)的聲音越大，發(fā)出的聲音就會(huì )越大。

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

因此，在一個(gè)應用的伺服驅動(dòng)器中，您的比例增益常數可能為 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)應用中，您的比例增益常數可能為 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

對于某些過(guò)程，比例增益足以進(jìn)行控制。但是對于大多數過(guò)程，例如機器人技術(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誤，減少過(guò)沖和振蕩等問(wèn)題。

運動(dòng)控制系統中的基本反饋回路，帶有具有 PID 控制的伺服驅動(dòng)器。

向系統設計師解釋伺服驅動(dòng)器基礎知識

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

功率等級

并非所有的伺服驅動(dòng)器都是一樣的。每個(gè)伺服驅動(dòng)器都有一個(gè)標稱(chēng)工作電壓以及最大峰值和連續電流額定值。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 驅動(dòng)器系列），但更大的伺服驅動(dòng)器通常會(huì )更強大，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 安培伺服驅動(dòng)器為微型 5 安培電機供電，也不要嘗試用微型 5 安培伺服驅動(dòng)器運行重型 80 安培電機駕駛。

面板安裝伺服驅動(dòng)器

構成因素

伺服驅動(dòng)器有各種形狀和尺寸，有些更適合不同的應用。

面板安裝

面板安裝伺服驅動(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(zhù) PCB。

底板上的孔或槽口用于使用螺栓或螺釘將驅動(dòng)器安裝到平面上。

這些是傳統形式的伺服驅動(dòng)器，通常用于機械。

PCB安裝

PCB安裝伺服驅動(dòng)器

PCB 安裝伺服驅動(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，但對元素的保護較少。這些通常用于固定和移動(dòng)機器人。

PCB 安裝驅動(dòng)器有時(shí)會(huì )插入安裝卡，以提供更傳統的電線(xiàn)和電纜連接，同時(shí)保持其緊湊性。這可以省去機器設計人員設計具有精確引腳連接器以匹配驅動(dòng)器的 PCB 的麻煩。

車(chē)載伺服驅動(dòng)器

車(chē)載支架

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

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)和不同應用的安裝難易程度有關(guān)。

網(wǎng)絡(luò )

在機器人、移動(dòng)車(chē)輛、機器和其他運動(dòng)控制系統中，可能會(huì )有不止一個(gè)運動(dòng)軸。這意味著(zhù)不止一臺電機，這通常意味著(zhù)不止一臺伺服驅動(dòng)器?？刂破餍枰蛩羞@些伺服驅動(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。對于模擬伺服驅動(dòng)器，需要集中控制方案，其中控制器單獨連接到每個(gè)伺服驅動(dòng)器。

在網(wǎng)絡(luò )上安裝伺服驅動(dòng)器可以簡(jiǎn)化接線(xiàn)。數據和命令可以沿著(zhù)單個(gè)網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)流向每個(gè)節點(diǎn)，因此控制器不需要直接連接到每個(gè)節點(diǎn)。

然而，對于數字伺服驅動(dòng)器，通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現分布式控制方案。網(wǎng)絡(luò )將伺服驅動(dòng)器鏈接在一起。消息或數據包可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送，伺服驅動(dòng)器將響應發(fā)送給它們的數據。

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)現極快的響應時(shí)間，在不到一毫秒的時(shí)間內發(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 數字伺服驅動(dòng)器型號都是為特定的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設計的，有許多選項可供選擇，包括定制。

其他類(lèi)型的電機

就像手機的發(fā)展已經(jīng)遠遠超出了打電話(huà)的范圍一樣，伺服驅動(dòng)器如今可以做的不僅僅是運行伺服電機。

除了標準的有刷和無(wú)刷伺服電機外，伺服驅動(dòng)器還可用于控制直線(xiàn)電機、兩相和三相步進(jìn)電機、交流感應電機、音圈等。

直線(xiàn)電機在電氣上類(lèi)似于“展開(kāi)”的無(wú)刷伺服電機，因此很容易由數字伺服驅動(dòng)器控制。

即使您的系統有多種電機類(lèi)型，您也很有可能使用相同或相似型號的伺服驅動(dòng)器來(lái)控制它們，從而簡(jiǎn)化您的設計。

輸入輸出

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

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

隔離

您的伺服驅動(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 )炸毀您的伺服驅動(dòng)器和系統中的其他組件。您要么需要帶有內置光學(xué)隔離的伺服驅動(dòng)器，要么需要帶有隔離變壓器的電源。此規則的例外情況是電池供電系統和帶有伺服驅動(dòng)器的系統，這些伺服驅動(dòng)器旨在直接獲取交流電源。

獎勵：哲學(xué)家的伺服驅動(dòng)基礎知識

如果伺服驅動(dòng)器是一種將電流和電壓推向電機的設備，那么如果將其與系統斷開(kāi)，它仍然是伺服驅動(dòng)器嗎？