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伺服驱动器基础知识 驱动器

“我们为运动控制系统设计和制造伺服驱动器。”

当有人问“高级运动控制是做什么的?”时,我们可能会给出这样的答案。

对于某些人来说,这就是他们需要知道的全部内容。对于其他人来说,它可能提出的问题多于答案。我们必须记住,并不是每个人都有运动控制、电子、甚至科学和工程方面的背景。

因此,我们将在不同的技术水平上复习伺服驱动器的基础知识,以便任何人和每个人都能对我们的工作有所了解。你可以在感觉舒服的时候停下来。

向 5 岁儿童解释伺服驱动器基础知识

伺服驱动器就像小型计算机,向电机供电并使其旋转。

向 12 岁的孩子解释伺服驱动器基础知识

追到现在?我希望如此。让我们更详细一点。

伺服驱动器是由电路板、微芯片、电线和连接器制成的电子设备。它们连接到电动机以控制电动机的旋转。它们可以使电机随时加速、减速、停止,甚至倒退。

他们通过控制和引导通过电机电线的电流来实现这一点。如果没有伺服驱动器,电机可能会无法控制地旋转或根本不旋转。

一些伺服驱动器控制小型电机,例如机器人手臂的肘关节。其他伺服驱动器控制大型电机,例如重型机械或电动汽车的车轮。更强大的电机需要更强大的伺服驱动器。

向高中物理学生解释伺服驱动器基础知识

希望你们仍然和我们在一起,但这里开始变得更加技术化。

伺服驱动器如何工作以及使电机旋转的原因是什么?

驱动电机

电机是如何旋转的?

电动机有两个主要部分:一个旋转并连接到轴上的转子,以及一个保持静止并连接到框架上的定子。这些组件中的一个将具有常规磁铁,而另一个具有绕组或“电磁铁”,可以通过使电流流过它们来打开它们。

通过连续打开和关闭不同的绕组,可以获得旋转磁效应。这会推动常规磁铁并导致转子旋转。

有刷电机在转子中具有绕组,在定子中具有磁体,而无刷电机在定子中具有绕组,在转子中具有磁体。

无论哪种方式,通过绕组的电流量控制扭矩量(转动的难度),而电压控制电机的速度(转动的速度)。通过调节提供的电流和电压,伺服驱动器控制电机轴的扭矩、速度和位置。

在无刷电机中,定子中的电磁体通电和断电以旋转磁转子。

命令与控制

大型控制器

但是你如何告诉伺服驱动器的目标是什么扭矩、速度和位置呢?简单的。您只需使用一个控制器,它可以是简单的拨号盘,也可以是复杂的计算机。

控制器向伺服驱动器的命令输入发送一个信号(一个小但特定的电压脉冲)。然后伺服驱动器基本上将信号放大到电机所需的电流或电压。

插入墙上插座的电源示例。

当然,能量守恒定律告诉我们能量不能凭空产生。

那么这种放大的力量是从哪里来的呢?

伺服驱动器连接到某种提供恒定电压的电源单元(电池或插入的设备)。然后,伺服驱动器获取该电源电压,并根据命令信号根据需要向电机供电。

回馈

如果您一直在跟踪,到目前为止,我们已经讨论了伺服驱动器连接到的 3 个主要组件:电机绕组、控制器和电源。但是伺服驱动器连接到的第四个元素使它们如此有效:电机反馈装置。

驾驶员在路上使用车速表进行反馈……或者至少负责任的驾驶员会这样做。

作为人类,我们一直使用反馈设备。我们汽车上的车速表告诉我们行驶速度有多快,因此我们知道是加速还是减速。烹饪温度计让我们知道我们的肉何时接近完成。压力表让我们知道自行车上的轮胎何时需要更多或更少的空气。客户反馈调查告诉公司他们需要在哪里进行调整。反馈使采取纠正措施变得容易得多。

大多数伺服电机都配备了某种反馈设备,例如编码器,可以直接连接到伺服驱动器。

具有反馈回路允许伺服驱动器对其发送到电机的电流和电压进行实时校正。这确保了电机以所需的扭矩、所需的速度旋转到所需的位置,而不受干扰。

增量编码器是电机中用于跟踪旋转运动的常见反馈装置。

例如,假设外力开始作用在电机轴上,导致其从所需速度减慢。来自电机的反馈信号指示真正的电机速度。然后伺服驱动器会将真实速度与目标速度进行比较,并增加提供给电机的功率以进行补偿,直到达到适当的速度。

这类似于当您在汽车中使用巡航控制并开始上山时。无需接触任何东西,您的车载电脑就会进行所有必要的更改,以使您的汽车在斜坡上保持相同的速度。在伺服驱动器中,这一切发生的速度比人类感知的要快,每秒有数千次调整。

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算我一个!

向大学工程专业学生解释伺服驱动器基础知识

好吧,聪明的裤子,你想要好东西吗?干得好。

到目前为止,我们一直将伺服驱动器视为带有进出它们的电力和电线的小魔盒。我们知道他们做什么,但不知道他们是怎么做的。让我们看看里面到底发生了什么。

负反馈循环

伺服驱动器通常被称为伺服放大器,因为从本质上讲,它们就是这样做的。它们放大命令信号。但正是基于反馈的控制的发展使它们成为更复杂和有用的设备。

正如我们所提到的,伺服驱动器使用反馈回路来纠正错误。

在运动控制和大多数其他控制过程中,使用负反馈回路来纠正错误。

在负反馈回路中,系统输出信号(来自测量值)从系统参考输入(目标值)中减去,以创建新的输入值(误差信号)。

看看这个简单的框图。

一个简单的负反馈循环。

例如,您的目标是 5,而您的测量值为 3。误差信号最终将是 +2。如果您的目标是 5,而您的测量值为 7,则误差信号为 -2。

所以如果一个系统的输出太高,误差信号就会是负的,系统会向负方向响应,从而降低输出。如果系统的输出过低,则误差为正,系统将向正方向响应以提高输出。

这个过程不断循环,使误差尽可能接近于零。

这种负反馈是必不可少的。如果反馈是积极的(换句话说,如果您将测量值添加到目标而不是减去它),那么过快的系统会通过更快的速度来补偿,或者过慢的系统会停止或最终运行相反。

几乎所有的伺服驱动器都能够关闭电流环,但其他驱动器也可以关闭速度环甚至位置环。如果系统的伺服驱动器只能闭合电流回路,但机器还需要闭合速度和位置回路,那么控制器将需要闭合这些额外的回路。

收益

误差信号通过系统“增益”,也就是放大步骤,将系统输入用于产生系统输出。在某些系统中,这是一个简单的比例增益。

让我们将其视为麦克风和扬声器设置。你对着麦克风说话,你的声音被放大了。如果你在学校礼堂里对 20 个人讲话,那么你可能只是有一点点增益,让你的声音听起来是你实际声音的两到三倍。但是,如果您在户外活动中与数百人交谈,那么您将需要更大的增益,以便每个人都能听到您的声音,因此您可能会让系统使您的声音响亮十倍以上. 在任何一种情况下,你对着麦克风说话的声音越大,发出的声音就会越大。

带有伺服驱动器的运动控制系统中的基本反馈回路。伺服驱动器编译误差信号,然后“放大”它以获得伺服驱动器输出。

因此,在一个应用的伺服驱动器中,您的比例增益常数可能为 5 A/V,其中 1V 输入产生 5A 输出,2V 输入产生 10A 输出等。

在另一个应用中,您的比例增益常数可能为 10 A/V,其中 1V 输入产生 10A 输出,2V 输入产生 20A 输出等。

PID控制

对于某些过程,比例增益足以进行控制。但是对于大多数过程,例如机器人技术,需要更精确的控制。最普遍的控制方案之一是(比例、积分、微分)控制。

在 PID 中,比例增益乘以当前误差值,积分增益乘以误差随时间的累积(积分)和微分增益乘以误差随时间的变化(微分)。这几乎总是可以更精确地纠正错误,减少过冲和振荡等问题。

运动控制系统中的基本反馈回路,带有具有 PID 控制的伺服驱动器。

向系统设计师解释伺服驱动器基础知识

恭喜你,如果你做到了这一步。现在让我们超越简单的控制器-驱动器-电机组合,看看伺服驱动器如何融入完整的运动控制系统。

功率等级

并非所有的伺服驱动器都是一样的。每个伺服驱动器都有一个标称工作电压以及最大峰值和连续电流额定值。尽管在提高功率密度方面已经取得了许多进步(尤其是近年来我们的 FlexPro 驱动器系列),但更大的伺服驱动器通常会更强大,并且电流控制的分辨率更低。

也许一个 5 岁的孩子可以理解这一点,但以防万一,不要尝试用笨重的 80 安培伺服驱动器为微型 5 安培电机供电,也不要尝试用微型 5 安培伺服驱动器运行重型 80 安培电机驾驶。

面板安装伺服驱动器

构成因素

伺服驱动器有各种形状和尺寸,有些更适合不同的应用。

面板安装

面板安装伺服驱动器有一个金属底板和一个塑料或薄金属盖,它们包围着 PCB。

底板上的孔或槽口用于使用螺栓或螺钉将驱动器安装到平面上。

这些是传统形式的伺服驱动器,通常用于机械。

PCB安装

PCB安装伺服驱动器

PCB 安装伺服驱动器没有任何外壳或覆盖物。它们旨在使用引脚或焊接直接安装到另一个电路板上,类似于连接子组件的方式。

它们非常紧凑并提供可靠的连接,但对元素的保护较少。这些通常用于固定和移动机器人。

PCB 安装驱动器有时会插入安装卡,以提供更传统的电线和电缆连接,同时保持其紧凑性。这可以省去机器设计人员设计具有精确引脚连接器以匹配驱动器的 PCB 的麻烦。

车载伺服驱动器

车载支架

车载伺服驱动器由厚塑料外壳和沉重的底板紧密封装。螺钉接线片用于允许高电流。顾名思义,这些用于移动应用程序。

无论外形如何,在性能方面它们都工作相同。不同之处更多是与不同行业和不同应用的安装难易程度有关。

网络

在机器人、移动车辆、机器和其他运动控制系统中,可能会有不止一个运动轴。这意味着不止一台电机,这通常意味着不止一台伺服驱动器。控制器需要向所有这些伺服驱动器发送命令。

控制器有两种方法来处理这个问题。对于模拟伺服驱动器,需要集中控制方案,其中控制器单独连接到每个伺服驱动器。

在网络上安装伺服驱动器可以简化接线。数据和命令可以沿着单个网络总线流向每个节点,因此控制器不需要直接连接到每个节点。

然而,对于数字伺服驱动器,通过使用网络可以实现分布式控制方案。网络将伺服驱​动器链接在一起。消息或数据包可以通过网络发送,伺服驱动器将响应发送给它们的数据。

有多种不同的网络协议。EtherCAT 或 EtherNet/IP 等实时网络可实现极快的响应时间,在不到一毫秒的时间内发送更新。CANopen 或 ModBus 等其他网络没有那么快,但实施起来更容易且成本更低。

每个ADVANCED Motion Controls 数字伺服驱动器型号都是为特定的网络协议设计的,有许多选项可供选择,包括定制。

其他类型的电机

就像手机的发展已经远远超出了打电话的范围一样,伺服驱动器如今可以做的不仅仅是运行伺服电机。

除了标准的有刷和无刷伺服电机外,伺服驱动器还可用于控制直线电机、两相和三相步进电机、交流感应电机、音圈等。

直线电机在电气上类似于“展开”的无刷伺服电机,因此很容易由数字伺服驱动器控制。

即使您的系统有多种电机类型,您也很有可能使用相同或相似型号的伺服驱动器来控制它们,从而简化您的设计。

输入输出

I/O(输入/输出)功能用于数字伺服驱动器,以允许它们与系统中的其他设备交换高/低信号。这些设备可以是温度传感器、限位开关、压力传感器,甚至是其他伺服驱动器。

使用 I/O 可以很好地让伺服驱动器控制机器上的简单功能并减轻控制器和/或网络的负载。

隔离

您的伺服驱动器或电源都需要电气隔离。否则,您最终可能会得到一个浮动接地,最终会炸毁您的伺服驱动器和系统中的其他组件。您要么需要带有内置光学隔离的伺服驱动器,要么需要带有隔离变压器的电源。此规则的例外情况是电池供电系统和带有伺服驱动器的系统,这些伺服驱动器旨在直接获取交流电源。

奖励:哲学家的伺服驱动基础知识

如果伺服驱动器是一种将电流和电压推向电机的设备,那么如果将其与系统断开,它仍然是伺服驱动器吗?

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