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[电机及执行机构驱动] 【原创】谈谈伺服控制系统——伺服电机控制器

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 楼主 | 2021-1-2 22:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 grhr 于 2021-1-8 11:10 编辑

#申请原创#  @21小跑堂

先谈被控对象:伺服电机
电机的英文名为motor,音译过来就是马达,所以很多地方将电机称为马达。从广义来看,电机就是将电能转换成机械能的设备。通电以后,就能控制电机的转速扭矩等。
网上关于电机的分类,技术介绍等有很多资料,我今天看了一下,文字,视频等资料就有几百万条。即使看百科都能学到很多。
在日常生活中,我们对马达的概念,按我自己能想到的,有:
(1)   电风扇,空调,空气净化器等这类能吹出气的。
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(2)   纯电动车里面作为动力的。
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(3)   抽水用的水泵
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表面上看起来,他们都差不多,通电之后都能转,但经过初步分析发现,其实还是有点区别的。比如:
(1)   供电方式不同:家用电器是单相交流供电,但像电动车内部只有大电池包,采用的是直流供电;
(2)   控制要求不同:电风扇/水泵都是只会朝一个方向转,但是电动车可进可退;
(3)   控制要求不一样:风扇和水泵之类的,能出风即可,但是电动车需要精确控制转速。

诸如此类的区别其实还有很多。这就引发一个思考:就伺服电机而言,他的主要特点有哪些呢?
本系列在谈及伺服系统的概念时,就提及伺服的本质就是准确的执行运动指令:这就要求伺服电机需要如下特点:
(1)   电机体积小巧:在伺服设备中,伺服场景中,伺服电机仅仅是其中的一个部分。如果电机尺寸太大,必然会引起整体设备尺寸偏大,不易操控;但一般说来,体积越大,功率才能越大,这就要求伺服电机的功率密度比较大。
(2)   惯量属性:任何物体都有运动惯性,为了避免小牛拉大车或者大车拉小牛的场景。
(3)   做工精良:尽管伺服控制系统最终呈现出的效果和控制器强相关,但电机本身的做工,要求也很高,比如运行效率/发热情况等。
基于此,作为伺服系统中的动力源输出,伺服电机在上述的技术要求背景下,对加工和设计都有较高的要求,成本和售价都比较高。
根据功率的不同,电机也会做不同的选型和设计。对于功率较大的,一般选择交流伺服电机。
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对于功率小一些的,可用小型无刷直流电机或者步进电机;
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对于功率更小(1W甚至不到),甚至可考虑用直流电机(比如国内很难做的空心杯伺服电机)。
从应用范围来看,交流伺服电机的应用更广一些,其次是步进电机和直流电机(有刷直流/空心杯/无刷直流电机),故下文中的电机控制器,指的是交流伺服电机控制器。
交流伺服电机一般更多指的是永磁同步电机,即大量文章中说到的PMSM。
永磁指的是电机能转动的部分是纯磁铁,即永远的磁体。永磁的概念,是相对于电磁铁而言的。高中物理中的电磁感应,指的是电磁相互产生的现象,不通电就没有磁性。
同步相对异步而言的。异步电机,是定子通电线圈中产生磁场并且磁场在变化,根据电磁感应现象,在转子部分会产生电流,在磁场中通电了就会产生扭矩。这就要求电机定子部分的磁场变化一定会快于转子的磁场变化,即两个没办法同步,这就是异步。而同步电机,能做到转子的转速与定子的电气变化特性能完全一致。

再看电机控制器
永磁同步电机控制器,其核心的控制算法就是网上谈的太多的矢量控制。
矢量控制,也有很多地方叫磁场定向控制(field-orientated control,FOC)。这里不用专业的属于解释什么叫解耦,什么叫各种变化,什么各种高大上的控制算法。只从最直观的角度去解释。
永磁同步电机的转子(能转动的部分),是一个永磁体。想要其精确的转动完成电机控制,要从以下几个方面考虑:
(1)   当前转子这个磁铁的N极是在什么方向,我们定子怎么通电产生什么样的磁场比较合适;
(2)   当前系统需要我产生这个磁场干什么,是要加速还是要减速,还是维持速度?

FOC的本质就是精确根据当前的转子位置,通过复杂算法实现控制转子的精确运动,因此叫磁场定向控制
那问题来了:磁铁只有N极和S极,怎么才能知道准确位置?如下面两幅图,这两个位置怎么区分
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有人说,霍尔传感器就解决了。因为传感器遇到N极时为高电平,遇到S极性的时候为低电平。
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是的,这是一个好办法。但是这个不能精确反映位置。于是有了编码器。这是一个将一圈能评分很多等分的单元且开了很多槽,称之为码盘。将码盘固定在电机轴上与电机轴一同旋转,再加一个感应器件,就,如果光能成功通过,则为高电平,反之则位低电平。这就能准确将一圈平均分为若干等分了。为了反应正反转,通常会有两个信号A/B,通过相互关系来判断正转还是反转
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结合前文提到的霍尔传感器,就有了位置的粗分加细分的方式,电机转子的准确位置就知道了。

当前位置知道了,然后每隔一段时间检测位置变化,就能反映电机轴的转速。结合从系统接收到的加减速命令和当前的转速进行比对,就知道应该加速还是减速了。
那具体怎么实现?
这就是电机控制的核心技术,电机控制算法。这里只谈最直白的概念。
首先,电机可以理解为一个功率转换单元,将电功率转换为机械功率。其中,电功率=电压*电流;而机械功率=扭矩*转速;
不管是扭矩加大还是转速提升,都需要更多的电功率。
伺服内部通常会有电压转换单元,将交流转换为直流,且不对其进行控制。因为我们交流电压为220V(有效值),所以转换为直流后的电压一般为一个基本稳定的电压值。
所以想要加大功率,只能增加电流。
科学的伟大之处就在于能自圆其说。增加电流就能增加磁场,扭矩变大,速度加起来!
但这时候我已经知道了转子的准确位置,所以我只要让定子能形成作用于转子的最大力,就能使得转子加速,且运行效率最高。这就是FOC算法其中的MTPA(maximum torque per ampere),即以最小的电流获取最大的扭矩。
好了,FOC的精髓你已经掌握了,电机本身就能很好的控制了。

伺服应用场景中,仅仅知道电机本身的工况时不够的,同时也要了解外面的负载工况,比如实际上运行了多少距离,如果仅仅从电机侧进行估算,这是不准确的,往往也要加上别的传感器,电机控制器要根据这个知道更多关于运动控制的信息。
如此一来,伺服系统的控制就很清楚了。可以根据整个系统所有的关运行控制的信号,做出相应的动作。

那如何验收伺服系统呢?
评价一台控制器的性能,比较重要的指标就是带宽,其反应的数据就表征控制效果对控制指令的跟随情况。带宽越高,则跟随性能越好。
这样,电机控制器的控制功能就比较完整了。

但不容忽视的一点是,在实际工况中,有很多时候例如负载加大/电机堵死了,即使拼尽全力也没办法让电机能按照预设的进行运动,这时候所有的电能没办法转换为机械能,就只能转换为热能,电机就会被烧坏。
所以,遇到带不动的工况时,要及时上报错误。及时正确做出断电动作予以保护。

总结:良好的控制性能,加上鲁棒性较高的保护机制,就是一台性能良好的电机控制器。

也正因为上述的介绍,一般的电机和电机控制器是配对的,这样电机控制器里面的控制参数才是经过优化的。匹配使用效果更好






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21小跑堂 打赏了 20.00 元 2021-01-05
理由:恭喜通过原创文章审核!请多多加油哦!

| 2021-1-7 22:14 | 显示全部楼层
这是软文吧,最后那个广告来得太突然了。。。

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 楼主 | 2021-1-8 11:08 | 显示全部楼层
tobot 发表于 2021-1-7 22:14
这是软文吧,最后那个广告来得太突然了。。。

emmmmm,发誓不是软文,随便截的图,他家的我其实没用过,那我删掉哈。

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| 2021-1-8 13:17 | 显示全部楼层
grhr 发表于 2021-1-8 11:08
emmmmm,发誓不是软文,随便截的图,他家的我其实没用过,那我删掉哈。

哈哈哈

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| 2021-1-11 17:05 | 显示全部楼层
霍尔是为了确定转动方向的吧,码盘才是确定速度,码盘的光栅的数量基本确定了编码器的精度。大佬讲述的是光电编码器,优点就是精度高。适合一般的场合,如果震动较大也可以选择磁编码器。通过切割磁感线影响电压变化可以得到转速、

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| 2021-1-16 16:59 | 显示全部楼层
好文章  得顶起来 , 我也学FOC一年多了,想写点啥文笔生硬啊  :)

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