基于电动驱动器的运动控制解决方案

电动驱动器是一种能够将电能转换为机械能的系统。当然，今天的技术允许高度复杂的驱动器。

机器和设备的自主运动一直是人类的梦想——这个梦想在过去实现了，这要归功于对机械充满热情的天才们对机制的发现和发明。当然，今天的技术允许在宏观机械和微观机械领域进行高度复杂的驱动。该驱动器广泛用于工业和民用应用(图 1)。它们涉及一个称为执行器的动力器官，能够产生机械功，由其他机械或电子设备控制。为了确保高质量的工作，拥有高质量的电动机驱动器是必不可少的。一些解决方案包括使用集电极电机、异步电机、同步电机、步进电机和磁阻电机。它们中的每一个都有特定的特征，具体取决于系统本身执行的目的。自动化领域还包括运动控制，它以受控方式研究机器运动部件中涉及的子系统。在开环系统中，控制器通过放大器向电机发送命令，但它不会意识到运动。然而，在闭环系统中，控制器接收系统测量结果以进行校正并补偿任何错误。

电动驱动器

电动驱动器是由电动机、电源电路、命令和控制电路组成的系统，用于调节轴的扭矩、速度或位置。驾驶员可以有一个不可调节的速度，利用发动机的内在特性，以及一个可调节的速度，它允许对能源和完成的工作进行明智和经济的管理。速度变化以不同的方式发生。

运动控制

运动控制不描述特定的机械或电子组件。相反，它代表一组单独的组件，它们一起工作以在机器或系统中创建受控运动。

关键组件通常包括：

运动控制器

驱动器，目的是放大能量

致动器

控制器是一种电子设备，在控制系统中充当“大脑”。使用的控制器数量根据需要控制的单个过程的数量而有所不同。对于一个复杂的系统，可能有许多控制器。这些控制器中的每一个都可以向电机发送命令，同时从执行器本身接收指令。驱动器充当控制器和电机之间的中介。它解释来自控制器的信号并提供正确的功率电平以转发给电机以获得所需的运动。运动控制系统中使用的电机可以采用多种形式并提供各种应用。它们的主要功能是接收电输入并将其转换为机械运动。

执行器

运动控制的最终目标是对执行器实施物理动作，该动作将以应用程序所需的术语和方式再现(图 2)。不深入探讨该主题，可以通过以下方式执行驱动器：

步进电机，其工作原理与普通电动机类似。磁铁的内部布置允许轴单步旋转。例如，步进电机的一整圈可以分为 360 步，每步 1 度。这样一来，内轴的定位就极其准确和精确。

线性致动器，将旋转运动转换为线性运动。

伺服系统，可提供角度运动的精确控制。

智能驾驶

技术当然取得了长足的进步，这个领域也受到了很大的影响。新的尖端和强大的产品实现了以效率为目标的结果，最重要的是，安全和舒适。新技术允许快速和精确的定位，以及在智能系统网络中同步的动态运动。此外，这些系统不是相互独立的，而是与其他组件通信，以允许在一般系统环境中进行信号处理和集成测量。今天，可以进行非常逼真的动作，实现人与人工机器之间的完美互动。

速度设置

自动化管理中最关键的方面之一是能够不断改变执行器产生的工作的特性。一方面，这种操作看似无害且简单;另一方面，它非常微妙，系统的特性和响应取决于它。在理想情况下，输入能量 (Ei) 和输出能量 (Eu) 相同。比率Eu/Ei提供了在理想情况下(零损耗)等于 1 的效率水平，但在实践中，这是无法做到的。

表 1：电路效率表

电阻值变阻器（欧姆）	电路效率（%）
1	98.4583
2	96.9167
3	95.375
4	93.8333
5	92.2917
6	90.75
7	89.2083
8	87.6667
9	86.125
10	84.5833
11	83.0417
12	81.5
13	79.9583
14	78.4167
15	76.875
16	75.3333
17	73.7917
18	72.25
19	70.7083
20	69.1667

 

 

图 ：改变发动机转速的一种方式

它也可以表示为百分比。例如，假设要以最自然的解决方案降低电机的速度，您需要在线路上串联一个电阻元件以降低传输电流(图 3)。该解决方案是最糟糕的解决方案之一，因为未使用的功耗非常大。

该表也以图形方式显示在图中，显示了与通过电流的障碍物质量相关的效率下降趋势。必须说，通过使用变阻器，您可以在降低发动机转速时获得非常低的扭矩。事实上，如果电阻值增加过大，电机也可能在重载下停止，如果初始负载过大甚至无法启动。

图：用于改变发动机速度的变阻器电路的效率图

为了克服这个问题，可以使用齿轮和减速器来保持电机的转数和扭矩高，并按比例减慢机械负载的速度。如果您想在不影响系统强度的情况下降低 RPM，您可以使用 PWM 控制器来改变电机上的电压。

事实上，大多数小型直流电机都设计为在高转速下运行。因此，对于需要低转速的应用，PWM 通常是最佳选择。

使用这种技术可确保最大扭矩脉冲，这使您能够以非常低的速度驱动电机，但需要很大的力。PWM 是一种通过快速打开和关闭电子设备的电源来产生可变电压的方法。使用 PWM，您可以设计优化电源的放大器或逆变器。平均电压取决于信号占空比，即在单个周期内信号开启的时间量与信号关闭的时间量的比较。开关解决方案是高能效功率放大的最佳解决方案之一，该功能可实现高功率传输。

图 ：PWM 的工作原理

这种技术的效率非常高，通过查看图 6的应用方案，可以了解各种系统之间的差异。让我们检查四种不同的配置，其中负载有意使用 50% 的能量供电：

在此图中(左上角)，负载不受脉冲串的影响，而是受到固定电压的影响，等于电源的一半。控制是通过晶体管的极化来实现的，该晶体管在线性区域中工作。散热非常高，效率为49%。

在第二个示意图(右上角)中，晶体管的行为类似于开关元件，由组件“基极”端子上的脉冲信号驱动。该解决方案的效率非常高，约为 85%。

第三个原理图(左下)提供了使用普通功率 MOSFET (IRF530)。该电路的效率非常高，约为97%。

第四个原理图(右下)使用了一种新技术，即 SiC MOSFET，作为试验组件。效率非常高，超过99%。几乎所有来自电源的能量都以非常低的损耗传输到负载。

图 ：PWM 允许您以非常高的效率调整负载功率。

因此，PWM 不等同于向负载施加固定电压。转矩由平均电流决定。由于线圈电感小，小型电机的效率在相对较低的 PWM 频率下会降低。当电感较小时，电流跟随 PWM 信号，与电流相比增加了散热。阻尼降低了扭矩，同时产生了更多的热量。因此，较高的 PWM 频率对效率更好。更大的电机具有更高的电感，即使在较低的 PWM 频率下效率也更高。

驱动器和动力驾驶

前几段的图表清楚地表明，无论使用何种技术，电机(任何类型)都必须由动力装置控制。驱动器必须提供高电流，这对于操作电机以及采用正确的命令可编程性、速度或加速度是必需的。它们的设计必须具有极高的精度和鲁棒性，因为它们也可以用于工业用途。出于这个原因，它们必须受到电流保护并使用主动和被动散热器进行冷却。电路中使用的功率 MOSFET 必须至少能够承受电机所需的电源电压和最大电流。拥有超大尺寸的 MOSFET 总是更好。还使用了“预驱动器”电路，因为它们使用线性稳压器、电荷泵和自举电容器在内部产生栅极驱动电压。Advanced Micro Systems (AMS) CMAX-410运动控制系统。

它提供了用于控制 4-A 步进电机运动的集成解决方案。它可以由用户独立编程或由中央主机控制。它通过工业连接器发送用于电机和控制的所有信号。所有运动控制系统都提供可编程电流、保持电流、微步进模式、速度、加速度等。它专门设计用于减少电气干扰并最大限度地提高安全性。它通过了 CE 认证。

　　审核编辑：汤梓红