本帖最后由 grhr 于 2021-1-8 11:10 编辑
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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。
（2） 纯电动车里面作为动力的。
（3） 抽水用的水泵
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。
对于功率小一些的，可用小型无刷直流电机或者步进电机；
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**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
。
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。
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
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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