关于伺服电机控制器 - 它们是什么以及它们如何工作？
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如何控制电机？大多数人会认为它们像其他电子设备一样是即插即用的，但情况并非总是如此。根据特定机器如何从交流或直流电流产生机械能，其可控性将有所不同。 21世纪的进步为设计人员提供了更多工具来控制这些电机，控制系统领域创造了称为电机控制器的设备。这些设备使操作员能够改变他们的电动机的行为方式，因此可以更灵活地使用这些机器。本文将介绍伺服电机控制器，这是一个高度精确的组件系统，几乎可以对任何电机类别进行精确定位、速度和扭矩控制。本文将探讨该系统的结构、工作原理和应用，以帮助读者更好地了解现代电机技术的先进程度。
什么是伺服电机控制器？ 在谈到同一种电机控制器时，伺服电机控制器、伺服驱动器和伺服电机通常可以互换使用。这些系统由许多组件组成，通过如此多的文字和步骤，设计人员可以最大限度地减少操作员命令与电机输出之间的误差。他们通过获取输入和输出之间的差异或错误，并将此信息反馈给电子控制器来减少这种差距，直到它不再存在。反馈处于所谓的“闭环”中，因为它在与其余组件分开的循环中连续地从输出返回到输入，以这种方式运行的系统有时被称为负反馈系统。大多数伺服电机控制器的主要部件是电机、电源和运动控制单元。 伺服电机控制器如何工作？ 电机控制单元是一个组件，其中包含用户界面（参考命令）、可编程控制器和放大器。电源连接到每个需要电源的组件，电机连接到放大器/反馈传感器并驱动某些负载/应用。
参考输入/命令模块 该组件是操作员的用户界面和电机控制器的前半部分。它允许用户告诉电机诸如“两分钟内旋转 200 次”和/或任何其他特定用户需要的任务，此命令将是反馈回路将输出与之进行比较的内容，并且是最终所需的输出。 可编程位置控制器和放大器 可编程控制器解释用户界面给出的数据，并将其转化为离散的电信号，发送到电机以执行所需的任务。它还将编码器提供的反馈考虑在内，以减少系统中的错误。放大器只是简单地增加这个信号，使其足够强大以驱动电机。不同类型的伺服电机控制器在其位置控制器方面差异最大，但在后面的部分会详细介绍。 反馈编码器 这些组件通常是电机输出轴上的编码器或传感器，并将轴位置传递回电机控制单元。这些提供了减少误差所必需的反馈，或伺服电机控制器的后半部分，以及与输入命令进行比较的内容，这些传感器通常是霍尔效应传感器，但也存在其他技术。
适用电机 伺服电机控制器的一个有趣方面是，许多不同类型的电机在伺服电机配置中工作。大多数交流和直流电机运行良好，包括有刷电机、无刷电机、同步电机、感应电机、磁阻电机和其他响应电流变化的电机。因此，在寻找伺服电机时，您实际上是在寻找一种系统，该系统能够针对所使用的任何电机类型提供精确反馈，而不一定是特定的电机等级。 伺服电机控制器的类型 控制伺服电机输出的方法取决于其位置控制器如何通过电信号发送命令，类似于交流驱动器的设置，改变伺服电机控制器中的电流频率以改变输出旋转。这可以通过多种方式完成，并且在很大程度上取决于所使用的电机类型。然而，两种最常见的电机控制方法是脉宽调制 (PWM) 和比例、积分和微分 (PID) 控制。 PWM 用于通过开环设计（无反馈）有效地减少系统中的输出误差，PID控制使用闭式反馈消除任何系统误差的最佳方法之一。
微分控制 微分控制器在闭环系统中使用数学方法来减少输出误差。它们可以单独使用（P、I、D）、成对使用（PI、PD、ID）或同时使用（PID），选择将取决于项目的复杂性和需求。通常，伺服电机控制器只需要使用PD或PI即可工作，但同时拥有这三者通常可以最准确地减少误差，但使用起来更加密集。关于 微分控制器的讨论很快就会充满密集的数学运算，简单来说，这些字母中的每一个都会改变系统的输出特性，以试图消除系统中的瞬态和稳态误差。 比例 (P) 比例控制是最简单的方法，其中将输入与输出比较得到的误差乘以某个常量值，称为“增益”。当这个增益增加时，电机响应的速度也会增加，但是这个比例增益太大会导致系统振荡。在电机方面，转子永远不会真正保持静止，而是会前后摇摆。将增益增加到远远超过这一点，振荡就会失控，这不是设计师所期待的。 积分 积分控制会随着时间的推移对误差求和，并且只会在误差变为 0 时停止增长，这意味着积分控制用于通过对输入和输出。它最常与比例增益配对，以便将产生的振荡降至最低（也就是消除稳态误差）。 PI 控制器是最流行的闭环控制系统之一，有效地涵盖了大多数情况。 导数 (D) 导数控制根据其误差的变化率来调节输出（从微积分中记住，导数的定义是变量的变化率）。通过接收反馈到位置控制器的误差项之间的变化，微分控制将增加或减少控制系统的响应速度。它类似于阻尼器，其中误差的较大变化会使导数减慢（或抑制）系统，从而使误差再次最小化。它减少了瞬态误差，但也会产生自己的误差，因为微分控制对系统噪声高度敏感。
应用和选择标准 得益于基于微处理器的控制器和21世纪的控制系统软件，伺服电机控制器开辟了一个全新的精密技术产业。因此，这些控制器可用于机器人技术、3D 打印机、军事技术、制药制造、食品生产等等。它们减少错误和产生准确输出的能力使设计人员可以完成几乎无限的可能性。然而，必须明白，虽然伺服电机是一项令人印象深刻的工程壮举，但它们非常复杂、非常昂贵，并且需要专业技术人员来防止故障。如果这些系统发生故障，它们通常会在灾难中失败，因为闭环系统可以很容易地从负反馈回路变为正反馈回路，从而使错误最大化。因此，安全系统必须与系统一起安装到位，这将增加这项本已昂贵的技术的成本。 很难推荐任何一种系统；如前所述，伺服电机控制器高度特定于所选择的电机、面临的应用以及可用的功率/空间。为了简化规范过程，下面列出了一些基本问题，应向伺服电机控制器供应商提出这些问题，以帮助确定正确的系统：
同样，很难简单地真正了解伺服电机控制器的范围，因此请向您的供应商咨询有关这些复杂设备的最相关信息。虽然价格昂贵，但这些系统处于电机技术的前沿，将为您的项目和应用提供速度、扭矩和位置的精确控制。 |
