用于运动控制和驱动的系统设计

机器和设备的自主运动一直是人类的梦想。由于对机械充满热情的天才们对机械装置的发现和发明，过去的梦想得以实现。当然，今天的技术允许在宏观力学和微观力学领域进行高度复杂的驱动。这些驱动器广泛用于工业和民用应用（见图 1）。它们涉及一个称为执行器的动力机构，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，必须拥有高质量的电动机驱动器。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性，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的答案，以进行更正和补偿任何错误。

图 1：工作中的司机

<>电动司机

它是由电动机、电源电路和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。

驱动器可以具有不可调节的速度和可调节的速度。前者利用发动机的内在特性。后者允许对能源和所做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。

<>行动管制

它不描述特定的机械或电子组件，而是代表一组单独的组件，它们协同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，具有放大能量的目的；

一个执行器，

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进程的数量而变化。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要转发到电机的正确功率电平，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重现（见图 2）。不深入主题，驱动器可以通过以下方式执行：

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。这样内轴的定位极其准确和精确；

线性执行器，将旋转运动转换为直线运动；

伺服系统，可提供角运动的精确控制。

图 2：步进电机和伺服的示例

智能司机

当然，技术正在取得长足的进步，这个领域也受到了很大的影响。新的尖端和强大的产品可实现旨在提高效率，最重要的是安全性和舒适性的结果。新技术允许快速和精确定位，以及在智能系统网络中同步的动态运动。此外，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。如今，可以执行非常逼真的动作，从而实现人与人造机器之间的完美互动。

效率

该测量表示电动机将电能转换为机械能的效率。高效率对应于较低的电力消耗价格。

扭矩

扭矩在发动机的选择中也起着决定性的作用。它比功率更重要，因为它表达了发动机在所有转速下都能保证的能力。

摆脱

浪涌电流是任何行业都不容忽视的问题。当发动机启动时（以及在任何涉及开启和关闭的瞬态阶段），电机吸收的电流甚至比正常稳态电流大十倍。起点导致系统问题。事实上，有必要调整电源线和开关的尺寸，使其值比正常操作所需的值大得多。因此，有几种方法试图减少这个问题。例如，许多设备使用可变阻抗和电阻，或者它们可以轻柔无痛地启动，然后逐渐增加运行条件。逆变器在能量分配中也起着非常重要的作用。

启动引擎

要使电机启动旋转，启动转矩必须大于阻转矩。最初，当转子停止并提供电压时，它处于短路状态，并在最初的时刻从电源线吸收最大电流。

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特性。如果这个操作一方面看起来无害且简单，另一方面它又极其微妙，系统的特性和响应都依赖于它。在理想情况下，输入能量 ( Ei ) 和输出能量 (Eu) 相同。比率：Eu/Ei 提供了效率水平 在理想情况下（零损耗）它等于 1，但在实践中这是不可能的。

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

表 1：电路效率表

图 3：可以改变发动机速度的方法之一

也可以用百分比来表示。例如，假设要使用最自然的解决方案降低电机的速度，即在线路中插入一个电阻元件以降低传输中的电流（见图 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。

同样在图4中以图形方式显示的表格显示了效率的下降趋势，与通过电流的障碍物的质量有关。必须指出的是，通过使用变阻器，您可以在发动机转速降低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，甚至在初始负载过大时甚至无法启动。

图 4：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，以保持电机的转数和扭矩较高，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转速，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。

这种技术的使用确保了最大的扭矩脉冲，这使您可以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（见图5）。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相比。开关解决方案是节能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 5：PWM 的工作原理

该技术的效率非常高，通过查看图 6的应用方案，可以了解各种系统之间的差异。让我们来看看四种不同的配置，其中负载有意使用 50% 的能量供电：

a) 在此图中（左上角），负载不受脉冲串的影响，而是受固定电压的影响，等于电源的一半。控制是由于晶体管的极化而获得的，该晶体管在线性区域内工作。散热非常高，效率高达49%；

b) 在第二个原理图（右上）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。解决方案的效率非常高，在85%左右；

c) 第三个原理图（左下）提供了使用普通功率 MOSFET (IRF530) 的条件。电路的效率非常高，在97%左右；

d) 第四张示意图（右下），使用一种新技术，SiC Mosfet 作为试点的组件。效率非常高，在99%以上。几乎所有来自电源的能量都以非常低的损耗转移到负载上。

图 6：PWM 允许您以非常高的效率调整负载功率

因此，PWM 并不等同于向负载施加固定电压。扭矩由平均电流决定。由于线圈电感较小，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。阻尼会降低扭矩，同时产生更多热量。因此，更高的 PWM 频率对效率更好。即使在较低的 PWM 频率下，较大的电机也具有较高的电感和效率。

驾驶员和动力驾驶

前几段的图表清楚地表明，无论使用何种技术，（任何类型的）电机都必须由功率设备控制。驱动器必须提供高电流，这是操作电机以及采用正确的指令可编程性、速度或加速度所必需的。它们的设计必须非常精确和坚固，因为它们也可以用于工业用途。因此，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 Mosfets 总是更好。还使用“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生成栅极驱动电压。高级微系统（AMS）CMAX-410的运动控制系统，在所示图7。

 

图 7：Advanced Micro Systems 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。它是CE认证的。

结论

用于运动控制和驱动的系统设计无疑是一件引人入胜且极其微妙的事情。它涉及不同的研究和应用领域，例如物理学、电子学、电力学等。世界上最好的公司的设计师每天都付出巨大的努力来创建非常高效且最重要的是安全的系统。

　审核编辑：汤梓红