我們?yōu)檫\動控制系統(tǒng)設(shè)計和制造伺服驅(qū)動器?！?/span>

當(dāng)有人問“高級運動控制是做什么的？”時，我們可能會給出這樣的答案。

對于某些人來說，這就是他們需要知道的全部內(nèi)容。對于其他人來說，它可能提出的問題多于答案。我們必須記住，并不是每個人都有運動控制、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)動器的基礎(chǔ)知識，以便任何人和每個人都能對我們的工作有所了解。你可以在感覺舒服的時候停下來。

向 5 歲兒童解釋伺服驅(qū)動器基礎(chǔ)知識

伺服驅(qū)動器就像小型計算機，向電機供電并使其旋轉(zhuǎn)。

向 12 歲的孩子解釋伺服驅(qū)動器基礎(chǔ)知識

追到現(xiàn)在？我希望如此。讓我們更詳細(xì)一點。

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

他們通過控制和引導(dǎo)通過電機電線的電流來實現(xiàn)這一點。如果沒有伺服驅(qū)動器，電機可能會無法控制地旋轉(zhuǎn)或根本不旋轉(zhuǎn)。

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

向高中物理學(xué)生解釋伺服驅(qū)動器基礎(chǔ)知識

希望你們?nèi)匀缓臀覀冊谝黄?，但這里開始變得更加技術(shù)化。

伺服驅(qū)動器如何工作以及使電機旋轉(zhuǎn)的原因是什么？

驅(qū)動電機

電機是如何旋轉(zhuǎn)的？

電動機有兩個主要部分：一個旋轉(zhuǎn)并連接到軸上的轉(zhuǎn)子，以及一個保持靜止并連接到框架上的定子。這些組件中的一個將具有常規(guī)磁鐵，而另一個具有繞組或“電磁鐵”，可以通過使電流流過它們來打開它們。

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

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

無論哪種方式，通過繞組的電流量控制扭矩量（轉(zhuǎn)動的難度），而電壓控制電機的速度（轉(zhuǎn)動的速度）。通過調(diào)節(jié)提供的電流和電壓，伺服驅(qū)動器控制電機軸的扭矩、速度和位置。

在無刷電機中，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)動器的目標(biāo)是什么扭矩、速度和位置呢？簡單的。您只需使用一個控制器，它可以是簡單的撥號盤，也可以是復(fù)雜的計算機。

控制器向伺服驅(qū)動器的命令輸入發(fā)送一個信號（一個小但特定的電壓脈沖）。然后伺服驅(qū)動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(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的呢？

伺服驅(qū)動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)動器獲取該電源電壓，并根據(jù)命令信號根據(jù)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(qū)動器連接到的 3 個主要組件：電機繞組、控制器和電源。但是伺服驅(qū)動器連接到的第四個元素使它們?nèi)绱擞行В弘姍C反饋裝置。

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

作為人類，我們一直使用反饋設(shè)備。我們汽車上的車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接近完成。壓力表讓我們知道自行車上的輪胎何時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)動器。

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

增量編碼器是電機中用于跟蹤旋轉(zhuǎn)運動的常見反饋裝置。

例如，假設(shè)外力開始作用在電機軸上，導(dǎo)致其從所需速度減慢。來自電機的反饋信號指示真正的電機速度。然后伺服驅(qū)動器會將真實速度與目標(biāo)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(dá)到適當(dāng)?shù)乃俣取?/span>

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

享受閱讀？

你是那種永遠(yuǎn)不會停止學(xué)習(xí)的人嗎？

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向大學(xué)工程專業(yè)學(xué)生解釋伺服驅(qū)動器基礎(chǔ)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(qū)動器視為帶有進(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)動器通常被稱為伺服放大器，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(fù)雜和有用的設(shè)備。

正如我們所提到的，伺服驅(qū)動器使用反饋回路來糾正錯誤。

在運動控制和大多數(shù)其他控制過程中，使用負(fù)反饋回路來糾正錯誤。

在負(fù)反饋回路中，系統(tǒng)輸出信號（來自測量值）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）。

看看這個簡單的框圖。

一個簡單的負(fù)反饋循環(huán)。

例如，您的目標(biāo)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(biāo)是 5，而您的測量值為 7，則誤差信號為 -2。

所以如果一個系統(tǒng)的輸出太高，誤差信號就會是負(fù)的，系統(tǒng)會向負(fù)方向響應(yīng)，從而降低輸出。如果系統(tǒng)的輸出過低，則誤差為正，系統(tǒng)將向正方向響應(yīng)以提高輸出。

這個過程不斷循環(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，如果您將測量值添加到目標(biāo)而不是減去它），那么過快的系統(tǒng)會通過更快的速度來補償，或者過慢的系統(tǒng)會停止或最終運行相反。

幾乎所有的伺服驅(qū)動器都能夠關(guān)閉電流環(huán)，但其他驅(qū)動器也可以關(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，這是一個簡單的比例增益。

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

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

因此，在一個應(yīng)用的伺服驅(qū)動器中，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

對于某些過程，比例增益足以進(jìn)行控制。但是對于大多數(shù)過程，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(dāng)前誤差值，積分增益乘以誤差隨時間的累積（積分）和微分增益乘以誤差隨時間的變化（微分）。這幾乎總是可以更精確地糾正錯誤，減少過沖和振蕩等問題。

運動控制系統(tǒng)中的基本反饋回路，帶有具有 PID 控制的伺服驅(qū)動器。

向系統(tǒng)設(shè)計師解釋伺服驅(qū)動器基礎(chǔ)知識

恭喜你，如果你做到了這一步。現(xiàn)在讓我們超越簡單的控制器-驅(qū)動器-電機組合，看看伺服驅(qū)動器如何融入完整的運動控制系統(tǒng)。

功率等級

并非所有的伺服驅(qū)動器都是一樣的。每個伺服驅(qū)動器都有一個標(biāo)稱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（尤其是近年來我們的 FlexPro 驅(qū)動器系列），但更大的伺服驅(qū)動器通常會更強大，并且電流控制的分辨率更低。

也許一個 5 歲的孩子可以理解這一點，但以防萬一，不要嘗試用笨重的 80 安培伺服驅(qū)動器為微型 5 安培電機供電，也不要嘗試用微型 5 安培伺服驅(qū)動器運行重型 80 安培電機駕駛。

面板安裝伺服驅(qū)動器

構(gòu)成因素

伺服驅(qū)動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)動器有一個金屬底板和一個塑料或薄金屬蓋，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)動器安裝到平面上。

這些是傳統(tǒng)形式的伺服驅(qū)動器，通常用于機械。

PCB安裝

PCB安裝伺服驅(qū)動器

PCB 安裝伺服驅(qū)動器沒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電路板上，類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(hù)較少。這些通常用于固定和移動機器人。

PCB 安裝驅(qū)動器有時會插入安裝卡，以提供更傳統(tǒng)的電線和電纜連接，同時保持其緊湊性。這可以省去機器設(shè)計人員設(shè)計具有精確引腳連接器以匹配驅(qū)動器的 PCB 的麻煩。

車載伺服驅(qū)動器

車載支架

車載伺服驅(qū)動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，這些用于移動應(yīng)用程序。

無論外形如何，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)

在機器人、移動車輛、機器和其他運動控制系統(tǒng)中，可能會有不止一個運動軸。這意味著不止一臺電機，這通常意味著不止一臺伺服驅(qū)動器?？刂破餍枰蛩羞@些伺服驅(qū)動器發(fā)送命令。

控制器有兩種方法來處理這個問題。對于模擬伺服驅(qū)動器，需要集中控制方案，其中控制器單獨連接到每個伺服驅(qū)動器。

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

然而，對于數(shù)字伺服驅(qū)動器，通過使用網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)分布式控制方案。網(wǎng)絡(luò)將伺服驅(qū)動器鏈接在一起。消息或數(shù)據(jù)包可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，伺服驅(qū)動器將響應(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 等實時網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)極快的響應(yīng)時間，在不到一毫秒的時間內(nèi)發(fā)送更新。CANopen 或 ModBus 等其他網(wǎng)絡(luò)沒有那么快，但實施起來更容易且成本更低。

每個ADVANCED Motion Controls 數(shù)字伺服驅(qū)動器型號都是為特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的，有許多選項可供選擇，包括定制。

其他類型的電機

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

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

直線電機在電氣上類似于“展開”的無刷伺服電機，因此很容易由數(shù)字伺服驅(qū)動器控制。

即使您的系統(tǒng)有多種電機類型，您也很有可能使用相同或相似型號的伺服驅(qū)動器來控制它們，從而簡化您的設(shè)計。

輸入輸出

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

使用 I/O 可以很好地讓伺服驅(qū)動器控制機器上的簡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)動器或電源都需要電氣隔離。否則，您最終可能會得到一個浮動接地，最終會炸毀您的伺服驅(qū)動器和系統(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)動器的系統(tǒng)，這些伺服驅(qū)動器旨在直接獲取交流電源。

獎勵：哲學(xué)家的伺服驅(qū)動基礎(chǔ)知識

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