驱动伺服器的软启动技术有哪些？

伺服器（通常用于无线电遥控车辆和小型机器人）是直流执行器，它使用电位计提供内置反馈来定位执行器臂。为了最大限度地减少不稳定的控制运动，许多伺服控制器都包括速度和加速度控制，它们使用定义的速度曲线进行操作，从而导致脉冲宽度调制 (PWM) 控制值随时间而变化。上电时，外部控制器不知道伺服臂的初始位置，导致臂以最大速度移动到起始值（这可能有机械危险）。本文介绍和评估了两种用于执行伺服软启动的不同技术，即：电压分析和间歇驱动。

简介
遥控 (RC) 伺服电机是小型反馈执行器，由驱动器、电机和反馈电位计组成，用于精确控制通过一系列齿轮连接到电机的电枢的位置。为清楚起见，本文将这些内部反馈伺服电机称为伺服电机，以区别于传统伺服电机，后者往往使用编码器来提供速度和电枢位置的反馈，而不仅仅是位置。伺服电机提供高扭矩旋转控制系统，体积小巧，价格低廉，可使用脉冲宽度调制 (PWM) 信号进行简单控制。

这些伺服电机有许多应用，包括操纵无人驾驶车辆的控制面、触觉反馈、机器人中的平移传感器以及用于运动和操纵的一般机器人运动控制。内部伺服驱动器使用 H 桥提供双向电机控制。电机的当前位置通过连接到伺服齿轮系统的电位器提供给内部驱动器。PWM 信号用于驱动伺服电机，通常周期为 20 毫秒，脉冲宽度从 1 毫秒到 2 毫秒不等，与所需的伺服电枢位置相对应。

最近，数字伺服器已经开发出来，它使用微控制器插入控制信号，以 300Hz 的频率驱动直流电机（而模拟伺服器的频率为 50Hz）。这种增加的频率减少了伺服器死区，并在静止时提供更快的响应、恒定扭矩和更大的保持力。此外，一些数字伺服器是可编程的，允许控制加速度、终点、中心点和速度等因素。这种编程可以显著影响伺服控制器所需的功能（因为伺服驱动器中的微控制器会调节这些参数）。

伺服器往往具有相当高的旋转速度（大约 350°/s）。虽然这种相对较快的旋转速度在某些应用中很有用（例如 UAV 控制面），但某些应用（包括精确平移机器人传感器或控制机器人操纵器）可能需要较慢的速度和/或加速度。许多专用伺服控制器为速度分析和加速度分析提供可编程功能。当伺服器驱动相对较重的负载时，速度分析尤其有用，因为它允许较低的速度以最大限度地减少潜在的机械磨损并减少系统中的大电流浪涌。

商用伺服控制器通过定期在前一个期望位置和下一个期望位置之间改变 PWM 位置来执行分析。使用这种方法可确保伺服器不会试图瞬间移动到最终位置，而是在稳定在最终期望位置之前通过一系列编程的中间步骤移动。

伺服控制器面临的一个问题是伺服器的初始位置（尽管伺服器内部已知）不为驱动伺服器的系统所知。因此，伺服控制器可能已配置加速度和速度曲线，但由于起始位置未知，它无法缓慢地将伺服器移至新的所需位置，从而导致伺服器以全速突然移动到该位置。对于某些应用，这可能会导致组件额外磨损，但对于某些应用（如六足步行机器人），如果启动时各种腿或关节高速碰撞，启动程序可能会导致一些腿损坏其他腿。

电压分析
所提出的电压分析技术旨在限制伺服开启时短时间内提供给伺服的电源电压。这类似于传统的数字电机控制技术，其中某种形式的调制允许对电机进行比例控制。电压分析的实现使用 P 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，它由微控制器上频率为 200kHz 的 PWM 输出驱动。截止频率为 66Hz 的 LC（电感-电容）一阶低通滤波器 (LPF) 连接到 MOSFET 的输出以过滤开关噪声，从而为伺服提供足够稳定的直流电压。由于电压由微控制器使用 PWM（一种常用的数模转换技术）控制，因此可以产生各种电压来为伺服供电。

间歇驱动
建议的间歇驱动软启动伺服技术旨在实现软启动，而无需使用任何附加电路（与电压分析技术不同）。伺服电机本质上在内部使用双向 bang-bang 控制形式，这在某些电机控制操作中很常见。间歇驱动技术本质上是在控制器的开启周期之间插入固定长度的延迟，以降低伺服角速度。这是通过保持恒定的满量程电源电压（6V）同时间歇地向伺服发送控制信号来实现的。此方法允许跳过多个控制脉冲，而不是像伺服数据表中指定的那样以 20ms 的周期向伺服发送 PWM 信号。

间歇驱动技术不是像电压分析那样降低电机的实际速度，而是试图对电机施加脉冲，使电机全速运行，但只持续很短的时间。当伺服电机通过一系列短距离跳跃移动到所需位置时，平均速度会降低。

本文展示并评估了两种不同的技术，以便为伺服电机提供软启动功能。首先，电压分析需要额外的硬件来控制用于为伺服电机供电的电源电压。分段斜坡方法似乎是最有效的曲线，它在保持最大加速度和保持中等总速度之间提供了良好的平衡。第二种技术，即间歇驱动，不需要额外的硬件，但仅适用于模拟伺服电机，并会导致系统中产生显著的电流尖峰。使用这两种软启动技术中的任何一种，伺服电机在通电时都不再需要全速移动到起始位置，从而可能损坏它们所连接的设备。正如许多商用伺服控制器具有可编程速度和加速度控制一样，本文中的技术可以实现伺服的软启动，这一进步显著增强了操作控制。