感應(yīng)、處理與驅(qū)動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)控

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）實(shí)現(xiàn)精密的運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人、汽車等各種和電機(jī)相關(guān)的應(yīng)用里非常重要的環(huán)節(jié)，不斷采集控制數(shù)據(jù)的高度自動(dòng)化的精密運(yùn)控設(shè)備在現(xiàn)如今的工廠也越來越常見。這些電機(jī)系統(tǒng)需要有著精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，才能保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)其他多樣的功能。

想要實(shí)現(xiàn)精密的運(yùn)動(dòng)控制或者實(shí)時(shí)控制，涉及三個(gè)基礎(chǔ)的子系統(tǒng)，感應(yīng)、處理和驅(qū)動(dòng)。這三個(gè)高性能系統(tǒng)的緊密配合，電機(jī)設(shè)備才能準(zhǔn)確無誤的精準(zhǔn)運(yùn)行，還能大大縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

精密運(yùn)控的前提——感應(yīng)

對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制那就必須對(duì)設(shè)備的位置和速度有著精確的感應(yīng)，在控制過程中還要不斷收集其數(shù)據(jù)。在任何對(duì)運(yùn)動(dòng)控制有高性能要求的系統(tǒng)里，對(duì)位置傳感、速度傳感的需求幾乎都是無處不在的，位置和速度感應(yīng)技術(shù)一定程度上決定了運(yùn)控系統(tǒng)的性能上限，準(zhǔn)確、快速和可靠的位置測(cè)量是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制的前提。

作為一種廣泛應(yīng)用的感應(yīng)元件，編碼器具有不可否認(rèn)的高精度，同時(shí)集成到控制電子裝置里也很方便，是伺服系統(tǒng)感應(yīng)系統(tǒng)中的重要角色。不論是增量式還是絕對(duì)式編碼器，都有不少的應(yīng)用，二者如何選擇還是取決于應(yīng)用場(chǎng)合和運(yùn)動(dòng)類型。

增量式編碼器在很多高精度的閉環(huán)應(yīng)用中性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯，絕對(duì)值編碼器檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性更高，成本也更高?；魻栁恢脗鞲性?a target="_blank">自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)控應(yīng)用里是很常見的一類選擇，尤其是3D霍爾的應(yīng)用，檢測(cè)出的絕對(duì)位置信息相比傳統(tǒng)霍爾精度更高，結(jié)果更可靠，任何3D運(yùn)動(dòng)絕對(duì)位置檢測(cè)都可以通過這種感應(yīng)器件實(shí)現(xiàn)。

此外還有各種磁阻傳感、旋變的應(yīng)用，這些感應(yīng)手段為精準(zhǔn)的運(yùn)控提供了必要的位置和速度數(shù)據(jù)。雖然目前也有很多無傳感器的精準(zhǔn)控制方案，但在絕大多數(shù)對(duì)運(yùn)控有高要求的系統(tǒng)里，優(yōu)秀的感應(yīng)技術(shù)還是對(duì)于優(yōu)化算法和提高控制性能有著重要的意義。

直接影響控制性能的處理能力

在精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制配置文件和算法需要具有高計(jì)算能力的處理器，處理能力會(huì)直接影響到整個(gè)信號(hào)鏈從收集到電流、電壓、位置和速度測(cè)量結(jié)果到更新控制輸出的時(shí)間。處理能力跟不上算法需求，運(yùn)動(dòng)精度下降也是自然的。

用于精密運(yùn)控的主控芯片，大家已經(jīng)很熟悉了，從國(guó)內(nèi)品牌到國(guó)外品牌，從DSP到MCU到FPGA，可以選擇的產(chǎn)品數(shù)不勝數(shù)。因?yàn)檫\(yùn)控算法嚴(yán)重依賴各種數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算，所以高計(jì)算能力自然是首先要考量的地方。

更多復(fù)雜的控制算法，如多電機(jī)同步、參數(shù)辨識(shí)、SVC（Senseless Vector Control）、諧波注入等也需要高性能的處理能力作為前提。優(yōu)秀的處理能力帶來的更快的指令響應(yīng)時(shí)間、更優(yōu)異的高頻擾動(dòng)抑制表現(xiàn)，最終體現(xiàn)在運(yùn)控效果上就是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪聲和電機(jī)抖動(dòng)。

當(dāng)然，控制外設(shè)也是非常重要的一環(huán)，通訊接口、ADC、PWM等等匹配的外設(shè)也是高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的助力。

向高集成度發(fā)展的驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)也是老生常談的話題了，驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制通常利用PWM，目前基本上驅(qū)動(dòng)的PWM頻率都能做得很高，附加功能開始成為亮點(diǎn)。對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制專用芯片來說，單顆芯片如果有更高的功能集成度，那么在應(yīng)用時(shí)就能大幅簡(jiǎn)化外圍器件與電路，大大提高運(yùn)控硬件設(shè)計(jì)的緊湊程度，比如現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)上會(huì)集成電流檢測(cè)和電源模塊。

有些廠商還會(huì)在驅(qū)動(dòng)上集成精密自動(dòng)死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償技術(shù)，通過該技術(shù)補(bǔ)償電流失真，極大程度上優(yōu)化電機(jī)的聲學(xué)性能，又或者是集成不同的梯形控制技術(shù)來降低噪聲。有些驅(qū)動(dòng)還能主動(dòng)消磁，以此來減少驅(qū)動(dòng)的功率損耗。

功率器件是另一個(gè)可以升級(jí)的地方，應(yīng)用寬帶隙功率器件快速開關(guān)速度和低開關(guān)損耗優(yōu)勢(shì)可以進(jìn)一步提升環(huán)路控制，在性能和穩(wěn)定性上都會(huì)有不少提升。

小結(jié)

目前各類自動(dòng)化設(shè)備終端市場(chǎng)都對(duì)運(yùn)控性能提出了更高的需求，不僅需要電機(jī)能夠做到高效率和多功能控制，還需要在追求高轉(zhuǎn)速的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪音低振動(dòng)的控制效果。想要實(shí)現(xiàn)這種高性能的精密運(yùn)控，感應(yīng)、處理和驅(qū)動(dòng)三個(gè)高性能子系統(tǒng)缺一不可。