用于運動控制和驅(qū)動的系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器和設(shè)備的自主運動一直是人類的夢想。由于對機(jī)械充滿熱情的天才們對機(jī)械裝置的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，過去的夢想得以實現(xiàn)。當(dāng)然，今天的技術(shù)允許在宏觀力學(xué)和微觀力學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行高度復(fù)雜的驅(qū)動。這些驅(qū)動器廣泛用于工業(yè)和民用應(yīng)用（見圖 1）。它們涉及一個稱為執(zhí)行器的動力機(jī)構(gòu)，能夠產(chǎn)生機(jī)械功，由其他機(jī)械或電子設(shè)備控制。為了確保高質(zhì)量的工作，必須擁有高質(zhì)量的電動機(jī)驅(qū)動器。一些解決方案包括使用集電極電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)。它們中的每一個都有特定的特性，具體取決于系統(tǒng)本身執(zhí)行的目的。自動化領(lǐng)域還包括運動控制，它以受控方式研究機(jī)器運動部件中涉及的子系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，控制器通過放大器向電機(jī)發(fā)送命令，但它不會意識到運動。然而，在閉環(huán)系統(tǒng)中，控制器接收系統(tǒng)測量的答案，以進(jìn)行更正和補(bǔ)償任何錯誤。

圖 1：工作中的司機(jī)

<>電動司機(jī)

它是由電動機(jī)、電源電路和命令和控制電路組成的系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)軸的扭矩、速度或位置。

驅(qū)動器可以具有不可調(diào)節(jié)的速度和可調(diào)節(jié)的速度。前者利用發(fā)動機(jī)的內(nèi)在特性。后者允許對能源和所做的工作進(jìn)行明智和經(jīng)濟(jì)的管理。速度變化以不同的方式發(fā)生。

<>行動管制

它不描述特定的機(jī)械或電子組件，而是代表一組單獨的組件，它們協(xié)同工作以在機(jī)器或系統(tǒng)中創(chuàng)建受控運動?！?/p>

關(guān)鍵組件通常包括：

運動控制器；

驅(qū)動器，具有放大能量的目的；

一個執(zhí)行器，

控制器是一種電子設(shè)備，在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”。使用的控制器數(shù)量根據(jù)需要控制的單個進(jìn)程的數(shù)量而變化。對于一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個都可以向電機(jī)發(fā)送命令，同時從執(zhí)行器本身接收指令。驅(qū)動器充當(dāng)控制器和電機(jī)之間的中介。它解釋來自控制器的信號并提供要轉(zhuǎn)發(fā)到電機(jī)的正確功率電平，以獲得所需的運動。運動控制系統(tǒng)中使用的電機(jī)可以采用多種形式并提供各種應(yīng)用。它們的主要功能是接收電輸入并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械運動。

執(zhí)行器

運動控制的最終目標(biāo)是對執(zhí)行器實施物理動作，該動作將以應(yīng)用程序所需的術(shù)語和方式重現(xiàn)（見圖 2）。不深入主題，驅(qū)動器可以通過以下方式執(zhí)行：

步進(jìn)電機(jī)，其工作原理與普通電動機(jī)類似。磁鐵的內(nèi)部布置允許軸單步旋轉(zhuǎn)。例如，步進(jìn)電機(jī)的一整圈可以分為 360 步，每步 1 度。這樣內(nèi)軸的定位極其準(zhǔn)確和精確；

線性執(zhí)行器，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動；

伺服系統(tǒng)，可提供角運動的精確控制。

圖 2：步進(jìn)電機(jī)和伺服的示例

智能司機(jī)

當(dāng)然，技術(shù)正在取得長足的進(jìn)步，這個領(lǐng)域也受到了很大的影響。新的尖端和強(qiáng)大的產(chǎn)品可實現(xiàn)旨在提高效率，最重要的是安全性和舒適性的結(jié)果。新技術(shù)允許快速和精確定位，以及在智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中同步的動態(tài)運動。此外，系統(tǒng)不是相互獨立的，而是與其他組件通信，以允許在一般系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行信號處理和集成測量。如今，可以執(zhí)行非常逼真的動作，從而實現(xiàn)人與人造機(jī)器之間的完美互動。

效率

該測量表示電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率。高效率對應(yīng)于較低的電力消耗價格。

扭矩

扭矩在發(fā)動機(jī)的選擇中也起著決定性的作用。它比功率更重要，因為它表達(dá)了發(fā)動機(jī)在所有轉(zhuǎn)速下都能保證的能力。

擺脫

浪涌電流是任何行業(yè)都不容忽視的問題。當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時（以及在任何涉及開啟和關(guān)閉的瞬態(tài)階段），電機(jī)吸收的電流甚至比正常穩(wěn)態(tài)電流大十倍。起點導(dǎo)致系統(tǒng)問題。事實上，有必要調(diào)整電源線和開關(guān)的尺寸，使其值比正常操作所需的值大得多。因此，有幾種方法試圖減少這個問題。例如，許多設(shè)備使用可變阻抗和電阻，或者它們可以輕柔無痛地啟動，然后逐漸增加運行條件。逆變器在能量分配中也起著非常重要的作用。

啟動引擎

要使電機(jī)啟動旋轉(zhuǎn)，啟動轉(zhuǎn)矩必須大于阻轉(zhuǎn)矩。最初，當(dāng)轉(zhuǎn)子停止并提供電壓時，它處于短路狀態(tài)，并在最初的時刻從電源線吸收最大電流。

速度設(shè)置

自動化管理中最關(guān)鍵的方面之一是能夠不斷改變執(zhí)行器產(chǎn)生的工作特性。如果這個操作一方面看起來無害且簡單，另一方面它又極其微妙，系統(tǒng)的特性和響應(yīng)都依賴于它。在理想情況下，輸入能量 ( Ei ) 和輸出能量 (Eu) 相同。比率：Eu/Ei 提供了效率水平 在理想情況下（零損耗）它等于 1，但在實踐中這是不可能的。

表 1：電路效率表

圖 3：可以改變發(fā)動機(jī)速度的方法之一

也可以用百分比來表示。例如，假設(shè)要使用最自然的解決方案降低電機(jī)的速度，即在線路中插入一個電阻元件以降低傳輸中的電流（見圖 3）。該解決方案是最糟糕的解決方案之一，因為未使用的功耗非常大。

同樣在圖4中以圖形方式顯示的表格顯示了效率的下降趨勢，與通過電流的障礙物的質(zhì)量有關(guān)。必須指出的是，通過使用變阻器，您可以在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低時獲得非常低的扭矩。事實上，如果電阻值增加過大，電機(jī)也可能在重載下停止，甚至在初始負(fù)載過大時甚至無法啟動。

圖 4：用于改變發(fā)動機(jī)速度的變阻器電路的效率圖

為了克服這個問題，可以使用齒輪和減速器，以保持電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩較高，并按比例減慢機(jī)械負(fù)載的速度。如果您想在不影響系統(tǒng)強(qiáng)度的情況下降低轉(zhuǎn)速，您可以使用 PWM 控制器來改變電機(jī)上的電壓。

事實上，大多數(shù)小型直流電機(jī)設(shè)計為在高轉(zhuǎn)速下運行，因此，對于需要低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用，PWM 通常是最佳選擇。

這種技術(shù)的使用確保了最大的扭矩脈沖，這使您可以以非常低的速度驅(qū)動電機(jī)，但需要很大的力。PWM是一種通過快速打開和關(guān)閉電子設(shè)備的電源來產(chǎn)生可變電壓的方法（見圖5）。使用 PWM，您可以設(shè)計優(yōu)化電源的放大器或逆變器。平均電壓取決于信號占空比，即在單個周期內(nèi)信號開啟的時間量與信號關(guān)閉的時間量相比。開關(guān)解決方案是節(jié)能功率放大的最佳解決方案之一，該功能可實現(xiàn)高功率傳輸。

圖 5：PWM 的工作原理

該技術(shù)的效率非常高，通過查看圖 6的應(yīng)用方案，可以了解各種系統(tǒng)之間的差異。讓我們來看看四種不同的配置，其中負(fù)載有意使用 50% 的能量供電：

a) 在此圖中（左上角），負(fù)載不受脈沖串的影響，而是受固定電壓的影響，等于電源的一半?？刂剖怯捎?a target="_blank">晶體管的極化而獲得的，該晶體管在線性區(qū)域內(nèi)工作。散熱非常高，效率高達(dá)49%；

b) 在第二個原理圖（右上）中，晶體管的行為類似于開關(guān)元件，由組件“基極”端子上的脈沖信號驅(qū)動。解決方案的效率非常高，在85%左右；

c) 第三個原理圖（左下）提供了使用普通功率 MOSFET (IRF530) 的條件。電路的效率非常高，在97%左右；

d) 第四張示意圖（右下），使用一種新技術(shù)，SiC Mosfet 作為試點的組件。效率非常高，在99%以上。幾乎所有來自電源的能量都以非常低的損耗轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。

圖 6：PWM 允許您以非常高的效率調(diào)整負(fù)載功率

因此，PWM 并不等同于向負(fù)載施加固定電壓。扭矩由平均電流決定。由于線圈電感較小，小型電機(jī)的效率在相對較低的 PWM 頻率下會降低。當(dāng)電感較小時，電流跟隨 PWM 信號，與電流相比增加了散熱。阻尼會降低扭矩，同時產(chǎn)生更多熱量。因此，更高的 PWM 頻率對效率更好。即使在較低的 PWM 頻率下，較大的電機(jī)也具有較高的電感和效率。

駕駛員和動力駕駛

前幾段的圖表清楚地表明，無論使用何種技術(shù)，（任何類型的）電機(jī)都必須由功率設(shè)備控制。驅(qū)動器必須提供高電流，這是操作電機(jī)以及采用正確的指令可編程性、速度或加速度所必需的。它們的設(shè)計必須非常精確和堅固，因為它們也可以用于工業(yè)用途。因此，它們必須受到電流保護(hù)并使用主動和被動散熱器進(jìn)行冷卻。電路中使用的功率 MOSFET 必須至少能夠承受電機(jī)所需的電源電壓和最大電流。擁有超大尺寸的 Mosfets 總是更好。還使用“預(yù)驅(qū)動器”電路，因為它們使用線性穩(wěn)壓器、電荷泵和自舉電容器在內(nèi)部生成柵極驅(qū)動電壓。高級微系統(tǒng)（AMS）CMAX-410的運動控制系統(tǒng)，在所示圖7。

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圖 7：Advanced Micro Systems CMAX-410 運動控制系統(tǒng)

它提供了用于控制 4 A 步進(jìn)電機(jī)運動的集成解決方案。它可以由用戶獨立編程或由中央主機(jī)控制。它通過工業(yè)連接器發(fā)送電機(jī)和控制的所有信號。所有運動控制系統(tǒng)都提供可編程電流、保持電流、微步進(jìn)模式、速度、加速度等。它專門設(shè)計用于減少電氣干擾并最大限度地提高安全性。它是CE認(rèn)證的。

結(jié)論

用于運動控制和驅(qū)動的系統(tǒng)設(shè)計無疑是一件引人入勝且極其微妙的事情。它涉及不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，例如物理學(xué)、電子學(xué)、電力學(xué)等。世界上最好的公司的設(shè)計師每天都付出巨大的努力來創(chuàng)建非常高效且最重要的是安全的系統(tǒng)。

　審核編輯：湯梓紅