“我們為運動控制系統設計和制造伺服驅動器。”

當有人問“高級運動控制是做什麼的？”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内容。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、甚至科學和工程方面的背景。

因此，我們将在不同的技術水平上複習伺服驅動器的基礎知識，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。

伺服驅動器就像小型計算機，向電機供電并使其旋轉。

追到現在？我希望如此。讓我們更詳細一點。

伺服驅動器是由電路闆、微芯片、電線和連接器制成的電子設備。它們連接到電動機以控制電動機的旋轉。它們可以使電機随時加速、減速、停止，甚至倒退。

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

一些伺服驅動器控制小型電機，例如機器人手臂的肘關節。其他伺服驅動器控制大型電機，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動器。

希望你們仍然和我們在一起，但這裡開始變得更加技術化。

伺服驅動器如何工作以及使電機旋轉的原因是什麼？

電機是如何旋轉的？

電動機有兩個主要部分：一個旋轉并連接到軸上的轉子，以及一個保持靜止并連接到框架上的定子。這些組件中的一個将具有常規磁鐵，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。

通過連續打開和關閉不同的繞組，可以獲得旋轉磁效應。這會推動常規磁鐵并導緻轉子旋轉。

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

無論哪種方式，通過繞組的電流量控制扭矩量（轉動的難度），而電壓控制電機的速度（轉動的速度）。通過調節提供的電流和電壓，伺服驅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磁轉子。

命令與控制

大型控制器

但是你如何告訴伺服驅動器的目标是什麼扭矩、速度和位置呢？簡單的。您隻需使用一個控制器，它可以是簡單的撥号盤，也可以是複雜的計算機。

控制器向伺服驅動器的命令輸入發送一個信号（一個小但特定的電壓脈沖）。然後伺服驅動器基本上将信号放大到電機所需的電流或電壓。

插入牆上插座的電源示例。

當然，能量守恒定律告訴我們能量不能憑空産生。

那麼這種放大的力量是從哪裡來的呢？

伺服驅動器連接到某種提供恒定電壓的電源單元（電池或插入的設備）。然後，伺服驅動器獲取該電源電壓，并根據命令信号根據需要向電機供電。

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

駕駛員在路上使用車速表進行反饋……或者至少負責任的駕駛員會這樣做。

作為人類，我們一直使用反饋設備。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。烹饪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。客戶反饋調查告訴公司他們需要在哪裡進行調整。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器。

具有反饋回路允許伺服驅動器對其發送到電機的電流和電壓進行實時校正。這确保了電機以所需的扭矩、所需的速度旋轉到所需的位置，而不受幹擾。

增量編碼器是電機中用于跟蹤旋轉運動的常見反饋裝置。

例如，假設外力開始作用在電機軸上，導緻其從所需速度減慢。來自電機的反饋信号指示真正的電機速度。然後伺服驅動器會将真實速度與目标速度進行比較，并增加提供給電機的功率以進行補償，直到達到适當的速度。

這類似于當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。在伺服驅動器中，這一切發生的速度比人類感知的要快，每秒有數千次調整。

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好吧，聰明的褲子，你想要好東西嗎？幹得好。

到目前為止，我們一直将伺服驅動器視為帶有進出它們的電力和電線的小魔盒。我們知道他們做什麼，但不知道他們是怎麼做的。讓我們看看裡面到底發生了什麼。

伺服驅動器通常被稱為伺服放大器，因為從本質上講，它們就是這樣做的。它們放大命令信号。但正是基于反饋的控制的發展使它們成為更複雜和有用的設備。

正如我們所提到的，伺服驅動器使用反饋回路來糾正錯誤。

在運動控制和大多數其他控制過程中，使用負反饋回路來糾正錯誤。

在負反饋回路中，系統輸出信号（來自測量值）從系統參考輸入（目标值）中減去，以創建新的輸入值（誤差信号）。

看看這個簡單的框圖。

一個簡單的負反饋循環。

例如，您的目标是 5，而您的測量值為 3。誤差信号最終将是 2。如果您的目标是 5，而您的測量值為 7，則誤差信号為 -2。

所以如果一個系統的輸出太高，誤差信号就會是負的，系統會向負方向響應，從而降低輸出。如果系統的輸出過低，則誤差為正，系統将向正方向響應以提高輸出。

這個過程不斷循環，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（換句話說，如果您将測量值添加到目标而不是減去它），那麼過快的系統會通過更快的速度來補償，或者過慢的系統會停止或最終運行相反。

幾乎所有的伺服驅動器都能夠關閉電流環，但其他驅動器也可以關閉速度環甚至位置環。如果系統的伺服驅動器隻能閉合電流回路，但機器還需要閉合速度和位置回路，那麼控制器将需要閉合這些額外的回路。

誤差信号通過系統“增益”，也就是放大步驟，将系統輸入用于産生系統輸出。在某些系統中，這是一個簡單的比例增益。

讓我們将其視為麥克風和揚聲器設置。你對着麥克風說話，你的聲音被放大了。如果你在學校禮堂裡對 20 個人講話，那麼你可能隻是有一點點增益，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百人交談，那麼您将需要更大的增益，以便每個人都能聽到您的聲音，因此您可能會讓系統使您的聲音響亮十倍以上. 在任何一種情況下，你對着麥克風說話的聲音越大，發出的聲音就會越大。

帶有伺服驅動器的運動控制系統中的基本反饋回路。伺服驅動器編譯誤差信号，然後“放大”它以獲得伺服驅動器輸出。

因此，在一個應用的伺服驅動器中，您的比例增益常數可能為 5 A/V，其中 1V 輸入産生 5A 輸出，2V 輸入産生 10A 輸出等。

在另一個應用中，您的比例增益常數可能為 10 A/V，其中 1V 輸入産生 10A 輸出，2V 輸入産生 20A 輸出等。

對于某些過程，比例增益足以進行控制。但是對于大多數過程，例如機器人技術，需要更精确的控制。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，積分增益乘以誤差随時間的累積（積分）和微分增益乘以誤差随時間的變化（微分）。這幾乎總是可以更精确地糾正錯誤，減少過沖和振蕩等問題。

運動控制系統中的基本反饋回路，帶有具有 PID 控制的伺服驅動器。

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

并非所有的伺服驅動器都是一樣的。每個伺服驅動器都有一個标稱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取得了許多進步（尤其是近年來我們的 FlexPro 驅動器系列），但更大的伺服驅動器通常會更強大，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 安培伺服驅動器運行重型 80 安培電機駕駛。

面闆安裝伺服驅動器

伺服驅動器有各種形狀和尺寸，有些更适合不同的應用。

面闆安裝

面闆安裝伺服驅動器有一個金屬底闆和一個塑料或薄金屬蓋，它們包圍着 PCB。

底闆上的孔或槽口用于使用螺栓或螺釘将驅動器安裝到平面上。

這些是傳統形式的伺服驅動器，通常用于機械。

PCB安裝

PCB安裝伺服驅動器

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

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

車載伺服驅動器

車載支架

車載伺服驅動器由厚塑料外殼和沉重的底闆緊密封裝。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和不同應用的安裝難易程度有關。

在機器人、移動車輛、機器和其他運動控制系統中，可能會有不止一個運動軸。這意味着不止一台電機，這通常意味着不止一台伺服驅動器。控制器需要向所有這些伺服驅動器發送命令。

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

在網絡上安裝伺服驅動器可以簡化接線。數據和命令可以沿着單個網絡總線流向每個節點，因此控制器不需要直接連接到每個節點。

然而，對于數字伺服驅動器，通過使用網絡可以實現分布式控制方案。網絡将伺服驅​動器鍊接在一起。消息或數據包可以通過網絡發送，伺服驅動器将響應發送給它們的數據。

有多種不同的網絡協議。EtherCAT 或 EtherNet/IP 等實時網絡可實現極快的響應時間，在不到一毫秒的時間内發送更新。CANopen 或 ModBus 等其他網絡沒有那麼快，但實施起來更容易且成本更低。

每個ADVANCED Motion Controls 數字伺服驅動器型号都是為特定的網絡協議設計的，有許多選項可供選擇，包括定制。

就像手機的發展已經遠遠超出了打電話的範圍一樣，伺服驅動器如今可以做的不僅僅是運行伺服電機。

除了标準的有刷和無刷伺服電機外，伺服驅動器還可用于控制直線電機、兩相和三相步進電機、交流感應電機、音圈等。

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

即使您的系統有多種電機類型，您也很有可能使用相同或相似型号的伺服驅動器來控制它們，從而簡化您的設計。

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

使用 I/O 可以很好地讓伺服驅動器控制機器上的簡單功能并減輕控制器和/或網絡的負載。

您的伺服驅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動器和系統中的其他組件。您要麼需要帶有内置光學隔離的伺服驅動器，要麼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器的系統，這些伺服驅動器旨在直接獲取交流電源。

如果伺服驅動器是一種将電流和電壓推向電機的設備，那麼如果将其與系統斷開，它仍然是伺服驅動器嗎？

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