一文解釋電機(jī)伺服控制的原理

伺服控制技術(shù)是確定電機(jī)位置的必要手段。本章將介紹伺服控制的原理。我們還將介紹可編程伺服/順序控制器（PSC）在伺服控制中的應(yīng)用。

我們將解釋電機(jī)伺服控制，首先讓我們從伺服控制的基礎(chǔ)“反饋控制”開(kāi)始。

反饋控制

電機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置。為了正確地旋轉(zhuǎn)電機(jī)，必須執(zhí)行反饋控制。反饋控制將監(jiān)控電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式，并根據(jù)結(jié)果確定提供給電機(jī)的電流量。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)以下步驟可以保持適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速：1、檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。2、決定應(yīng)該增加還是降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3、根據(jù)決定，增加或減少提供給電機(jī)的電流。

旋轉(zhuǎn)編碼器

為了執(zhí)行反饋控制，需要獲取轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)信息。獲取信息的其中一個(gè)設(shè)備便是旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器的說(shuō)明如下。

轉(zhuǎn)子上有許多開(kāi)孔的圓盤(pán)。一個(gè)光電探測(cè)器放在圓盤(pán)的一邊，一個(gè)光源放在另一邊。圓盤(pán)與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)圓盤(pán)的孔位于光源前面時(shí)，光到達(dá)光檢測(cè)器，于是檢測(cè)到圓盤(pán)的孔。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢，孔移動(dòng)的周期將變長(zhǎng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)很快，孔的檢測(cè)周期就會(huì)變短。從而可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。另外，在圓盤(pán)上多開(kāi)一個(gè)孔，用它來(lái)決定圓盤(pán)的起點(diǎn)。這樣，即使孔一個(gè)接一個(gè)地出現(xiàn)，也可以從起點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算孔的數(shù)量。用這種方法可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置。但是也會(huì)丟失轉(zhuǎn)換的重要信息。也就是說(shuō)，無(wú)法獲取轉(zhuǎn)子是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的信息。所以我們?cè)僮鲆恍锌?，使每個(gè)新孔都稍微偏離原來(lái)的孔。這樣，根據(jù)兩排孔的相對(duì)位置關(guān)系可以判斷轉(zhuǎn)子是順時(shí)針（CW）旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針（CCW）旋轉(zhuǎn)。

這就是旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理。

伺服控制

伺服控制是一種反饋控制，常用于電機(jī)控制。

伺服控制用于有兩個(gè)對(duì)象的情況，即一個(gè)“指導(dǎo)員”和一個(gè)“操作員”，“指導(dǎo)員”發(fā)出命令，“操作員”執(zhí)行命令。使“操作者”嚴(yán)格按順序操作的方法便是伺服控制。例如，當(dāng)老師對(duì)學(xué)生說(shuō)“走”、“?！被颉坝肄D(zhuǎn)”時(shí)，學(xué)生會(huì)按照指示移動(dòng)。這就是伺服控制。

讓我們看一下電機(jī)的伺服控制：如何移動(dòng)手臂機(jī)器人。例如，假設(shè)一個(gè)手臂固定在大齒輪上，齒輪與安裝在電機(jī)上的小齒輪一起旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)將按照旋轉(zhuǎn)次數(shù)的比例移動(dòng)手臂。現(xiàn)在，假設(shè)電機(jī)必須旋轉(zhuǎn)100次才能使手臂旋轉(zhuǎn)一次。所以為了將手臂旋轉(zhuǎn)90度，電機(jī)需要旋轉(zhuǎn)25次。即伺服控制指令為“旋轉(zhuǎn)25次”。如果電機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)立即開(kāi)始移動(dòng)，并且僅轉(zhuǎn)動(dòng)25次，則手臂可以旋轉(zhuǎn)90度。

但是經(jīng)驗(yàn)告訴我們，現(xiàn)實(shí)并不是那么簡(jiǎn)單。當(dāng)用手臂旋轉(zhuǎn)齒輪時(shí)，電機(jī)需要一段時(shí)間才能從停止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始移動(dòng)。另外，在暫停電機(jī)時(shí)，即使發(fā)出停止指令，電機(jī)仍會(huì)滑行一段短時(shí)間。所以即使給電機(jī)一個(gè)旋轉(zhuǎn)25次的指令，也不能確定電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)次數(shù)是25次。

在電機(jī)伺服控制中，基本配置是控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和轉(zhuǎn)速。當(dāng)手臂開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，速度逐漸增加。在達(dá)到最大指令速度后，速度保持不變，并且旋轉(zhuǎn)逐漸變遲緩，并以適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)進(jìn)行。執(zhí)行控制使其在末端停止。但是應(yīng)控制電機(jī)在該運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，以匹配要求的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。

旋轉(zhuǎn)次數(shù)是指令梯形的面積。需要控制實(shí)際電機(jī)運(yùn)行的面積，以匹配指令的面積。

PID控制

采用PID控制來(lái)控制伺服控制的速度。

PID控制將并行執(zhí)行每個(gè)控制：P控制（比例控制）、I控制（積分控制）和D控制（微分控制）。

由于每個(gè)控制都具有有用的作用，因此這些控制的組合可以輕松地處理各種變化。比例（P）控制是簡(jiǎn)單的放大：如果當(dāng)前值小于設(shè)定值，則該值將以正方向進(jìn)行控制，如果當(dāng)前值較大，則該值將以負(fù)方向進(jìn)行控制。在許多情況下，使用比例（P）控制不能達(dá)到目標(biāo)值，因此我們?cè)黾恿朔e分（I）控制。積分（I）控制將根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)決定與總差異（積分值）成比例的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流。換言之，它是校正累積變化的控制。

相反，微分（D）控制是一種處理意外狀態(tài)的控制。變化程度越大，微分（D）控制使得狀態(tài)恢復(fù)原位的力就越大。這對(duì)于下列情況而言是一種有效的控制：突然增加/移除過(guò)大的負(fù)載，電壓變得不穩(wěn)定或突然降低，當(dāng)外部干擾影響時(shí)，需要將狀態(tài)恢復(fù)到原來(lái)的位置。

因此，PID控制可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到理想轉(zhuǎn)速。

我們介紹了伺服控制的概況。使用微控制器可以很容易地實(shí)現(xiàn)伺服控制。

微控制器的作用

近年來(lái)，微控制器被用于伺服控制。微控制器通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)伺服控制。微控制器通常用作系統(tǒng)控制器，不僅控制伺服控制，還能控制各種各樣的東西。伺服控制與伺服控制以外的控制異步執(zhí)行。此外，伺服控制需要定期執(zhí)行。如果同時(shí)發(fā)生，微控制器必須優(yōu)先考慮伺服控制或者是作為系統(tǒng)控制器的控制。但是接收到低優(yōu)先級(jí)的那個(gè)微控制器不能延遲到所需的時(shí)間。微控制器控制的系統(tǒng)功能越高或者控制精度越高，這種現(xiàn)象就越頻繁發(fā)生。為了避免這種情況，需要提高微控制器的處理速度。

一般來(lái)說(shuō)，它可以通過(guò)加快系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)增加功耗，從而產(chǎn)生噪音和熱量。此外，有時(shí)會(huì)因?yàn)槲⒖刂破鞯牟僮飨拗?，您可能無(wú)法加速。為了解決這一問(wèn)題，我們可采用幾種方法降低微控制器的處理負(fù)載：采用微控制器協(xié)處理器進(jìn)行伺服控制，將伺服控制和系統(tǒng)控制的硬件分開(kāi)?？删幊趟欧樞蚩刂破鳎≒SC）可以與系統(tǒng)控制異步啟動(dòng)，并執(zhí)行伺服控制過(guò)程。它是一個(gè)單一IC，但伺服控制和系統(tǒng)控制由硬件單獨(dú)處理。系統(tǒng)時(shí)鐘可以保持在低頻率。