機器和設備的自主運動一直是人類的夢想。由于對機械充滿熱情的天才們對機械裝置的發現和發明，過去的夢想得以實現。當然，今天的技術允許在宏觀力學和微觀力學領域進行高度復雜的驅動。這些驅動器廣泛用于工業和民用應用（見圖 1）。它們涉及一個稱為執行器的動力機構，能夠產生機械功，由其他機械或電子設備控制。為了確保高質量的工作，必須擁有高質量的電動機驅動器。一些解決方案包括使用集電極電機、異步電機、同步電機、步進電機和磁阻電機。它們中的每一個都有特定的特性，具體取決于系統本身執行的目的。自動化領域還包括運動控制，它以受控方式研究機器運動部件中涉及的子系統。在開環系統中，控制器通過放大器向電機發送命令，但它不會意識到運動。然而，在閉環系統中，控制器接收系統測量的答案，以進行更正和補償任何錯誤。

圖 1：工作中的司機

<>電動司機

它是由電動機、電源電路和命令和控制電路組成的系統，用于調節軸的扭矩、速度或位置。

驅動器可以具有不可調節的速度和可調節的速度。前者利用發動機的內在特性。后者允許對能源和所做的工作進行明智和經濟的管理。速度變化以不同的方式發生。

<>行動管制

它不描述特定的機械或電子組件，而是代表一組單獨的組件，它們協同工作以在機器或系統中創建受控運動。”

關鍵組件通常包括：

運動控制器；

驅動器，具有放大能量的目的；

一個執行器，

控制器是一種電子設備，在控制系統中充當“大腦”。使用的控制器數量根據需要控制的單個進程的數量而變化。對于一個復雜的系統，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個都可以向電機發送命令，同時從執行器本身接收指令。驅動器充當控制器和電機之間的中介。它解釋來自控制器的信號并提供要轉發到電機的正確功率電平，以獲得所需的運動。運動控制系統中使用的電機可以采用多種形式并提供各種應用。它們的主要功能是接收電輸入并將其轉換為機械運動。

執行器

運動控制的最終目標是對執行器實施物理動作，該動作將以應用程序所需的術語和方式重現（見圖 2）。不深入主題，驅動器可以通過以下方式執行：

步進電機，其工作原理與普通電動機類似。磁鐵的內部布置允許軸單步旋轉。例如，步進電機的一整圈可以分為 360 步，每步 1 度。這樣內軸的定位極其準確和精確；

線性執行器，將旋轉運動轉換為直線運動；

伺服系統，可提供角運動的精確控制。

圖 2：步進電機和伺服的示例

智能司機

當然，技術正在取得長足的進步，這個領域也受到了很大的影響。新的尖端和強大的產品可實現旨在提高效率，最重要的是安全性和舒適性的結果。新技術允許快速和精確定位，以及在智能系統網絡中同步的動態運動。此外，系統不是相互獨立的，而是與其他組件通信，以允許在一般系統環境中進行信號處理和集成測量。如今，可以執行非常逼真的動作，從而實現人與人造機器之間的完美互動。

效率

該測量表示電動機將電能轉換為機械能的效率。高效率對應于較低的電力消耗價格。

扭矩

扭矩在發動機的選擇中也起著決定性的作用。它比功率更重要，因為它表達了發動機在所有轉速下都能保證的能力。

擺脫

浪涌電流是任何行業都不容忽視的問題。當發動機啟動時（以及在任何涉及開啟和關閉的瞬態階段），電機吸收的電流甚至比正常穩態電流大十倍。起點導致系統問題。事實上，有必要調整電源線和開關的尺寸，使其值比正常操作所需的值大得多。因此，有幾種方法試圖減少這個問題。例如，許多設備使用可變阻抗和電阻，或者它們可以輕柔無痛地啟動，然后逐漸增加運行條件。逆變器在能量分配中也起著非常重要的作用。

啟動引擎

要使電機啟動旋轉，啟動轉矩必須大于阻轉矩。最初，當轉子停止并提供電壓時，它處于短路狀態，并在最初的時刻從電源線吸收最大電流。

速度設置

自動化管理中最關鍵的方面之一是能夠不斷改變執行器產生的工作特性。如果這個操作一方面看起來無害且簡單，另一方面它又極其微妙，系統的特性和響應都依賴于它。在理想情況下，輸入能量 ( Ei ) 和輸出能量 (Eu) 相同。比率：Eu/Ei 提供了效率水平 在理想情況下（零損耗）它等于 1，但在實踐中這是不可能的。

表 1：電路效率表

圖 3：可以改變發動機速度的方法之一

也可以用百分比來表示。例如，假設要使用最自然的解決方案降低電機的速度，即在線路中插入一個電阻元件以降低傳輸中的電流（見圖 3）。該解決方案是最糟糕的解決方案之一，因為未使用的功耗非常大。

同樣在圖4中以圖形方式顯示的表格顯示了效率的下降趨勢，與通過電流的障礙物的質量有關。必須指出的是，通過使用變阻器，您可以在發動機轉速降低時獲得非常低的扭矩。事實上，如果電阻值增加過大，電機也可能在重載下停止，甚至在初始負載過大時甚至無法啟動。

圖 4：用于改變發動機速度的變阻器電路的效率圖

為了克服這個問題，可以使用齒輪和減速器，以保持電機的轉數和扭矩較高，并按比例減慢機械負載的速度。如果您想在不影響系統強度的情況下降低轉速，您可以使用 PWM 控制器來改變電機上的電壓。

事實上，大多數小型直流電機設計為在高轉速下運行，因此，對于需要低轉速的應用，PWM 通常是最佳選擇。

這種技術的使用確保了最大的扭矩脈沖，這使您可以以非常低的速度驅動電機，但需要很大的力。PWM是一種通過快速打開和關閉電子設備的電源來產生可變電壓的方法（見圖5）。使用 PWM，您可以設計優化電源的放大器或逆變器。平均電壓取決于信號占空比，即在單個周期內信號開啟的時間量與信號關閉的時間量相比。開關解決方案是節能功率放大的最佳解決方案之一，該功能可實現高功率傳輸。

圖 5：PWM 的工作原理

該技術的效率非常高，通過查看圖 6的應用方案，可以了解各種系統之間的差異。讓我們來看看四種不同的配置，其中負載有意使用 50% 的能量供電：

a) 在此圖中（左上角），負載不受脈沖串的影響，而是受固定電壓的影響，等于電源的一半。控制是由于晶體管的極化而獲得的，該晶體管在線性區域內工作。散熱非常高，效率高達49%；

b) 在第二個原理圖（右上）中，晶體管的行為類似于開關元件，由組件“基極”端子上的脈沖信號驅動。解決方案的效率非常高，在85%左右；

c) 第三個原理圖（左下）提供了使用普通功率 MOSFET (IRF530) 的條件。電路的效率非常高，在97%左右；

d) 第四張示意圖（右下），使用一種新技術，SiC Mosfet 作為試點的組件。效率非常高，在99%以上。幾乎所有來自電源的能量都以非常低的損耗轉移到負載上。

圖 6：PWM 允許您以非常高的效率調整負載功率

因此，PWM 并不等同于向負載施加固定電壓。扭矩由平均電流決定。由于線圈電感較小，小型電機的效率在相對較低的 PWM 頻率下會降低。當電感較小時，電流跟隨 PWM 信號，與電流相比增加了散熱。阻尼會降低扭矩，同時產生更多熱量。因此，更高的 PWM 頻率對效率更好。即使在較低的 PWM 頻率下，較大的電機也具有較高的電感和效率。

駕駛員和動力駕駛

前幾段的圖表清楚地表明，無論使用何種技術，（任何類型的）電機都必須由功率設備控制。驅動器必須提供高電流，這是操作電機以及采用正確的指令可編程性、速度或加速度所必需的。它們的設計必須非常精確和堅固，因為它們也可以用于工業用途。因此，它們必須受到電流保護并使用主動和被動散熱器進行冷卻。電路中使用的功率 MOSFET 必須至少能夠承受電機所需的電源電壓和最大電流。擁有超大尺寸的 Mosfets 總是更好。還使用“預驅動器”電路，因為它們使用線性穩壓器、電荷泵和自舉電容器在內部生成柵極驅動電壓。高級微系統（AMS）CMAX-410的運動控制系統，在所示圖7。

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圖 7：Advanced Micro Systems CMAX-410 運動控制系統

它提供了用于控制 4 A 步進電機運動的集成解決方案。它可以由用戶獨立編程或由中央主機控制。它通過工業連接器發送電機和控制的所有信號。所有運動控制系統都提供可編程電流、保持電流、微步進模式、速度、加速度等。它專門設計用于減少電氣干擾并最大限度地提高安全性。它是CE認證的。

結論

用于運動控制和驅動的系統設計無疑是一件引人入勝且極其微妙的事情。它涉及不同的研究和應用領域，例如物理學、電子學、電力學等。世界上最好的公司的設計師每天都付出巨大的努力來創建非常高效且最重要的是安全的系統。

　審核編輯：湯梓紅