一文解釋電機伺服控制的原理

伺服控制技術(shù)是確定電機位置的必要手段。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。

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

反饋控制

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

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設(shè)備便是旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器的說明如下。

轉(zhuǎn)子上有許多開孔的圓盤。一個光電探測器放在圓盤的一邊，一個光源放在另一邊。圓盤與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)圓盤的孔位于光源前面時，光到達(dá)光檢測器，于是檢測到圓盤的孔。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動緩慢，孔移動的周期將變長。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動很快，孔的檢測周期就會變短。從而可以檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。另外，在圓盤上多開一個孔，用它來決定圓盤的起點。這樣，即使孔一個接一個地出現(xiàn)，也可以從起點開始計算孔的數(shù)量。用這種方法可以檢測轉(zhuǎn)子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置。但是也會丟失轉(zhuǎn)換的重要信息。也就是說，無法獲取轉(zhuǎn)子是順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)的信息。所以我們再做一行孔，使每個新孔都稍微偏離原來的孔。這樣，根據(jù)兩排孔的相對位置關(guān)系可以判斷轉(zhuǎn)子是順時針（CW）旋轉(zhuǎn)還是逆時針（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，常用于電機控制。

伺服控制用于有兩個對象的情況，即一個“指導(dǎo)員”和一個“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)老師對學(xué)生說“走”、“?！被颉坝肄D(zhuǎn)”時，學(xué)生會按照指示移動。這就是伺服控制。

讓我們看一下電機的伺服控制：如何移動手臂機器人。例如，假設(shè)一個手臂固定在大齒輪上，齒輪與安裝在電機上的小齒輪一起旋轉(zhuǎn)。電機的旋轉(zhuǎn)將按照旋轉(zhuǎn)次數(shù)的比例移動手臂。現(xiàn)在，假設(shè)電機必須旋轉(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，電機需要旋轉(zhuǎn)25次。即伺服控制指令為“旋轉(zhuǎn)25次”。如果電機從停止?fàn)顟B(tài)立即開始移動，并且僅轉(zhuǎn)動25次，則手臂可以旋轉(zhuǎn)90度。

但是經(jīng)驗告訴我們，現(xiàn)實并不是那么簡單。當(dāng)用手臂旋轉(zhuǎn)齒輪時，電機需要一段時間才能從停止?fàn)顟B(tài)開始移動。另外，在暫停電機時，即使發(fā)出停止指令，電機仍會滑行一段短時間。所以即使給電機一個旋轉(zhuǎn)25次的指令，也不能確定電機的實際旋轉(zhuǎn)次數(shù)是25次。

在電機伺服控制中，基本配置是控制電機的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和轉(zhuǎn)速。當(dāng)手臂開始移動時，電機緩慢轉(zhuǎn)動，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進行。執(zhí)行控制使其在末端停止。但是應(yīng)控制電機在該運動中的旋轉(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。需要控制實際電機運行的面積，以匹配指令的面積。

PID控制

采用PID控制來控制伺服控制的速度。

PID控制將并行執(zhí)行每個控制：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行控制，如果當(dāng)前值較大，則該值將以負(fù)方向進行控制。在許多情況下，使用比例（P）控制不能達(dá)到目標(biāo)值，因此我們增加了積分（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）成比例的電機驅(qū)動電流。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。這對于下列情況而言是一種有效的控制：突然增加/移除過大的負(fù)載，電壓變得不穩(wěn)定或突然降低，當(dāng)外部干擾影響時，需要將狀態(tài)恢復(fù)到原來的位置。

因此，PID控制可以使電機轉(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現(xiàn)伺服控制。

微控制器的作用

近年來，微控制器被用于伺服控制。微控制器通過軟件實現(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)先級的那個微控制器不能延遲到所需的時間。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。

一般來說，它可以通過加快系統(tǒng)時鐘來實現(xiàn)，但這會增加功耗，從而產(chǎn)生噪音和熱量。此外，有時會因為微控制器的操作限制，您可能無法加速。為了解決這一問題，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)處理器進行伺服控制，將伺服控制和系統(tǒng)控制的硬件分開?？删幊趟欧樞蚩刂破鳎≒SC）可以與系統(tǒng)控制異步啟動，并執(zhí)行伺服控制過程。它是一個單一IC，但伺服控制和系統(tǒng)控制由硬件單獨處理。系統(tǒng)時鐘可以保持在低頻率。