其利天下技術(shù)·伺服電機(jī)的工作原理及常用控制算法-低壓伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案開(kāi)發(fā)

伺服電機(jī)作為精密控制系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步和行業(yè)需求的不斷變化，伺服電機(jī)也在不斷發(fā)展。今天，我們聊聊伺服電機(jī)的工作原理、控制方式以及常用的控制算法。

伺服電機(jī)的工作原理

閉環(huán)反饋系統(tǒng)：

伺服電機(jī)的核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)反饋通過(guò)傳感器（編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（如位置、速度等），將反饋信號(hào)傳回控制器。

控制器將反饋值與目標(biāo)值（設(shè)定值）進(jìn)行比較，生成誤差信號(hào)，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器調(diào)整電機(jī)的電壓、電流，修正電機(jī)的動(dòng)作。

反饋調(diào)節(jié)：

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)的角度或速度，并將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)對(duì)比反饋信號(hào)與預(yù)設(shè)目標(biāo)值，利用控制算法產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使電機(jī)逐步逼近設(shè)定的目標(biāo)。

伺服電機(jī)的控制方式

位置控制：

控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，確保其在某一目標(biāo)位置停留。 控制器接收位置指令信號(hào)（通常是脈沖信號(hào)），通過(guò)反饋裝置（如編碼器）調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，確保精確到達(dá)目標(biāo)位置。 這種方式多用于精密加工、機(jī)器人等需要精準(zhǔn)定位的場(chǎng)合。

速度控制：

通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入信號(hào)控制其旋轉(zhuǎn)速度，通常通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的輸入頻率或電壓實(shí)現(xiàn)。 控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)速度，調(diào)節(jié)電流以保持目標(biāo)速度，適合傳送帶、卷繞機(jī)等需要恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備。

力矩控制（扭矩控制）：

控制電機(jī)輸出的扭矩，通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)調(diào)整力矩大小。控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流變化，并調(diào)節(jié)輸出，確保電機(jī)的輸出力矩保持穩(wěn)定。 這種方式常用于需要恒定力矩的應(yīng)用場(chǎng)景，如張力控制、負(fù)載變化較大的設(shè)備。

伺服電機(jī)的常用控制算法

PID 控制算法：

PID（比例-積分-微分）控制是伺服電機(jī)中最常見(jiàn)的控制算法，用于調(diào)節(jié)位置、速度和力矩控制。

P（比例）：控制當(dāng)前誤差，響應(yīng)迅速。

I（積分）：累積誤差，消除長(zhǎng)期誤差。

D（微分）：控制誤差的變化率，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

PID 控制通過(guò)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)（比例、積分、微分），確保系統(tǒng)迅速達(dá)到設(shè)定值并避免過(guò)沖或震蕩。

模糊控制算法：

模糊控制是一種基于經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則的控制方法，用于處理復(fù)雜的、非線性系統(tǒng)。

模糊控制適用于系統(tǒng)模型難以精確建立的情況，通過(guò)模糊規(guī)則集對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，常用于負(fù)載變化較大或干擾較多的場(chǎng)景。

自適應(yīng)控制算法：

自適應(yīng)控制可以根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)行為自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，適應(yīng)不同的工作條件。

該算法實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，適用于負(fù)載變化較大的伺服系統(tǒng)。

滑?？刂疲⊿MC）：

滑?？刂剖且环N非線性控制方法，能夠在不精確的模型條件下提供魯棒控制。它通過(guò)設(shè)計(jì)滑模面，讓系統(tǒng)在滑模面內(nèi)保持穩(wěn)定，從而減少系統(tǒng)的抖動(dòng)和誤差。

滑?？刂七m合在存在外部干擾和建模不準(zhǔn)確的環(huán)境下使用。

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）：

模型預(yù)測(cè)控制通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)行為，計(jì)算最優(yōu)控制信號(hào)，適合復(fù)雜、多輸入多輸出系統(tǒng)。

伺服控制中的MPC可以提前預(yù)測(cè)并優(yōu)化系統(tǒng)的控制路徑，常用于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求的場(chǎng)合。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，根據(jù)輸入和輸出關(guān)系動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，適用于非線性、復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

這種算法可以適應(yīng)不同的工作條件，尤其是在伺服系統(tǒng)中存在未知非線性或復(fù)雜關(guān)系時(shí)表現(xiàn)出色。