一文解释电机伺服控制的原理

  是一种把电能转换成旋转运动的装置。为了正确地旋转电机，一定得执行反馈控制。反馈控制将监控电机的旋转方式，并根据结果确定提供给电机的电流量。换句话说，通过以下步骤能保持适当的转速：1、检测电机转速。2、决定应该增加还是降低电机的转速。3、根据决定，增加或减少提供给电机的电流。

  为了执行反馈控制，需要获取转子上的旋转信息。获取信息的其中一个设备便是旋转编码器。旋转编码器的说明如下。

  转子上有许多开孔的圆盘。一个光电探测器放在圆盘的一边，一个光源放在另一边。圆盘与转子一起旋转。当圆盘的孔位于光源前面时，光到达光检测器，于是检测到圆盘的孔。如果转子转动缓慢，孔移动的周期将变长。如果转子转动很快，孔的检验测试周期就会变短。从而能够检测转子的转速。另外，在圆盘上多开一个孔，用它来决定圆盘的起点。这样，即使孔一个接一个地出现，也可以从起点开始计算孔的数量。用这种办法能够检测转子的当前旋转位置。但是也会丢失转换的重要信息。也就是说，无法获取转子是顺时针旋转还是逆时针旋转的信息。所以我们再做一行孔，使每个新孔都稍微偏离原来的孔。这样，根据两排孔的相对位置关系能判断转子是顺时针（CW）旋转还是逆时针（CCW）旋转。

  伺服控制用于有两个对象的情况，即一个“指导员”和一个“操作员”，“指导员”发出命令，“操作员”执行命令。使“操作者”严格按顺序操作的方法便是伺服控制。例如，当老师对学生说“走”、“停”或“右转”时，学生会按照指示移动。这就是伺服控制。

  让我们看一下电机的伺服控制：如何移动手臂机器人。例如，假设一个手臂固定在大齿轮上，齿轮与安装在电机上的小齿轮一起旋转。电机的旋转将按照旋转次数的比例移动手臂。现在，假设电机必须旋转100次才能使手臂旋转一次。所以为了将手臂旋转90度，电机需要旋转25次。即伺服控制指令为“旋转25次”。如果电机从停止状态立即开始移动，并且仅转动25次，则手臂可以旋转90度。

  但是经验告诉我们，现实并不是那么简单。当用手臂旋转齿轮时，电机需要一段时间才能从停止状态开始移动。另外，在暂停电机时，即使发出停止指令，电机仍会滑行一段短时间。所以即使给电机一个旋转25次的指令，也不能确定电机的实际旋转次数是25次。

  在电机伺服控制中，基本配置是控制电机的旋转次数和转速。当手臂开始移动时，电机缓慢转动，速度逐渐增加。在达到最大指令速度后，速度保持不变，并且旋转逐渐变迟缓，并以适当的定时进行。执行控制使其在末端停止。但是应控制电机在该运动中的旋转次数，以匹配要求的旋转次数。

  旋转次数是指令梯形的面积。需要控制实际电机运行的面积，以匹配指令的面积。

  PID控制将并行执行每个控制：P控制（比例控制）、I控制（积分控制）和D控制（微分控制）。

  由于每个控制都具有有用的作用，因此这些控制的组合能轻松地处理各种变化。比例（P）控制是简单的放大：如果当前值小于设定值，则该值将以正方向来控制，如果当前值较大，则该值将以负方向来控制。在许多情况下，使用比例（P）控制不能够达到目标值，因此我们增加了积分（I）控制。积分（I）控制将根据当前状态决定与总差异（积分值）成比例的电机驱动电流。换言之，它是校正累积变化的控制。

  相反，微分（D）控制是一种处理意外状态的控制。变化程度越大，微分（D）控制使得状态恢复原位的力就越大。这对于以下情况而言是一种有效的控制：猛地增加/移除过大的负载，电压变得不稳定或突然降低，当外部干扰影响时，需要将状态恢复到原来的位置。

  近年来，微控制器被用于伺服控制。微控制器通过软件实现伺服控制。微控制器通常用作系统控制器，不仅控制伺服控制，还能控制各种各样的东西。伺服控制与伺服控制以外的控制异步执行。此外，伺服控制需要定期执行。如果同时发生，微控制器必须第一先考虑伺服控制或者是作为系统控制器的控制。但是接收到低优先级的那个微控制器不能延迟到所需的时间。微控制器控制的系统功能越高或者控制精度越高，此现状就越频繁发生。为了尽最大可能避免这种情况，需要提高微控制器的处理速度。

  一般来说，它能够最终靠加快系统时钟来实现，但这会增加功耗，由此产生噪音和热量。此外，有时会因为微控制器的操作限制，您可能没办法加速。未解决这一问题，我们可采用几种方法降低微控制器的处理负载：采用微控制器协处理器进行伺服控制，将伺服控制和系统控制的硬件分开。可编程伺服／顺序控制器（PSC）可以与系统控制异步启动，并执行伺服控制过程。它是一个单一IC，但伺服控制和系统控制由硬件单独处理。系统时钟能保持在低频率。

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