机器人伺服驱动

1、任课老师：蒋志宏、李辉机电学院智能机器人研究所2014年-2015年,ROBOTCOMING,机器人学,第五章：机器人伺服驱动5.1伺服驱动控制原则和方法5.2伺服驱动控制5.2.1伺服电机运动与驱动控制原理5.2.2伺服驱动电路设计5.2.3伺服驱动多环路控制器设计5.2.4伺服驱动系统测试与指标,机器人学,5.1伺服驱动控制原则和方法,伺服驱动器在机器人中的作用相当于人体的肌肉：如果把连杆和关节想象为机器人的骨骼，那么伺服驱动器就起到人体肌肉作用。伺服驱动器（ServoDrives）又称“伺服控制器/放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，主要应用于高精度定位系统。一般通过位置、速度和力

2、矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位；,1、伺服驱动定义,5.1伺服驱动控制原则和方法,伺服驱动技术作为数控机床、（工业）机器人及其它机械控制的关键技术之一；20世纪最后10年间，微处理器(特别是DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术奠定了良好基础。20世纪80年代是交流伺服技术取代直流伺服技术；20世纪90年代是伺服驱动技术实现全数字化、智能化、网络化的10年。（百度搜词条“伺服驱动器”和“伺服驱动系统”了解）,2、伺服驱动简介,5.1伺服驱动控制原则和方法,电机伺服驱动器（交直流伺服电机：直流电机、永磁同步电机、直流无刷电机、直接驱动电机，还有

3、步进电机等。）液压伺服驱动器气动伺服驱动器记忆金属伺服驱动器压电陶瓷伺服驱动器（致伸缩驱动器）,3、伺服驱动器种类,4、伺服驱动系统组成,涉及学科：电路原理、模电数电、电力电子、控制技术、信息及智能技术等等。,5.1伺服驱动控制原则和方法,5.1伺服驱动控制原则和方法,5、伺服驱动控制拓扑,伺服电机多环路控制拓扑,5.1伺服驱动控制原则和方法,6、直流伺服电机的驱动原理,电流磁效应可知，通电导体周围会产生磁场，从而使得通电导体在磁场中受到安培力作用。,5.1伺服驱动控制原则和方法,6、直流伺服电机的驱动原理,为了使得通电线圈能够连续运转，当线圈越过平衡位置后及时改变对线圈供电电流的方向，那么线

4、圈就能连续转动起来。换向器和电刷的目的就是改变线圈的供电电流方向。这样线圈就能连续在磁场中运转。,直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系：,n转速（rmin）；U电枢电压（V）；I电枢电流（A）；R电枢回路总电阻（欧姆）；励磁磁通（Wb）；Ke由电机结构决定的电动势常数。,5.1伺服驱动控制原则和方法,7、直流伺服电机的调速原理,5.1伺服驱动控制原则和方法,7、直流伺服电机的调速原理,调节电动机的转速有三种方法：调节电枢供电电压；减弱励磁磁通；改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但

5、调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。,5.1伺服驱动控制原则和方法,8、直流电机位置伺服控制原理,脉宽调制（PWM）技术,内容：脉宽调制（PWM）定义及PWM信号发生原理；占空比的含义。要求：掌握PWM的发生原理，理解占空比的含义。,5.2伺服驱动控制,1、脉宽调制（PWM）技术介绍,脉宽调制（PWM：Pulse-WidthModulation）是利用一种数字信号来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在功率控制与变换、测量和通信等领域中;采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲

6、加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM对开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。,5.2伺服驱动控制,2、PWM信号发生原理,模拟电路产生PWM原理数字电路产生PWM原理,5.2伺服驱动控制,模拟电路产生PWM原理,模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。模拟电路产生PWM信号的一般原理如图所示。,图模拟电路产生PWM信号原理示意图,5.2伺服驱动控制,模拟电路PWM发生步骤,第一步：通过电阻R和电容C设定开关

7、周期Ts（开关频率f1/Ts）；第二步：通过振荡器产生载波，即图中锯齿波/三角波；第三步：根据需要产生一个控制信号即调制波，然后，载波和调制波的值通过比较器进行比较；第四步：比较器比较的结果产生PWM信号。,5.2伺服驱动控制,数字电路产生PWM原理,数字电路产生PWM信号的原理与模拟电路一样，不同的是，数字电路产生PWM信号是通过寄存器的设置来实现的。数字电路产生PWM信号的原理如图所示。,图数字电路产生PWM信号原理,5.2伺服驱动控制,数字PWM信号发生步骤,第一步：通过周期寄存器（PeriodRegister）设定开关周期Ts（开关频率f1/Ts）；（设计者设定）第二步：相应的定时器（

8、TimerRegister）开始计数产生图3中的锯齿波/三角波；（不需要设定，自动计数）第三步：根据需要产生一个控制信号即调制波，用此值装载比较寄存器（CompareRegister），然后，TimerRegister和CompareRegister的值进行比较，比较的结果送往PWM发生电路；第四步：PWM发生电路根据比较的结果产生PWM信号。,5.2伺服驱动控制,3、脉宽调制基本原理,脉宽调制的基本原理是通过占空比的变化来实现能量、信号等的调节。下图显示了三种不同的PWM信号。图（a）是一个占空比为10%的PWM信号，即在信号周期中，10的时间通，其余90的时间断；图（b）和图（c）显示的分

9、别是占空比为50%和90%的PWM信号。,5.2伺服驱动控制,（a）占空比为10%的PWM信号,（b）占空比为50%的PWM信号,图不同占空比的PWM信号,（c）占空比为90%的PWM信号,5.2伺服驱动控制,占空比含义理解：BUCK变换器,内容：BUCK变换器工作原理；输入电压与输出电压的关系-占空比要求：理解占空比的含义。,5.2伺服驱动控制,1、Buck变换器拓扑与工作原理,图Buck变换器主电路拓扑,5.2伺服驱动控制,2、BUCK变换器等效电路,图2SisON：等效电路,工作中输入电流is，在开关导通时，is0,开关关闭时，is0。故电流is是脉动的，但输出电流Io，在L、D、C作用

10、下却是连续、平稳的。,图3SisOFF：等效电路,工作原理开关S开通时,如图所示，电流isiL流过电感线圈L,电感电流线性增加，负载电阻R上流过电流Io，输出电压为Vo。当is大于Io时，电容在充电状态，此时，二极管D承受反向电压截至。开关S关断时，电感中的磁场改变电压极性，以维持电流iL。当iL1/2时，r为正，电动机正转；当d0,则A=1，反之A=0；V20,则B=1，反之B=0；V30,则C=1，反之C=0。,N=A+2B+4C,当N=3时，Uref位于第扇区；当N=1时，Uref位于第扇区；当N=5时，Uref位于第扇区；当N=4时，Uref位于第扇区；当N=6时，Uref位于第扇区；当N=2时，Uref位于第扇区。,数字实现方式,5.2伺服驱动控制,表矢量作用时间分配,T1+T2Ts!,DANGER,开关矢量时间确定,5.2伺服驱动控制,5.2伺服驱动控制,控制时间分配,确定各个电压矢量的工作顺序,因为电压空间矢量中存在两个零电压矢量，因此电压空间矢量的作用顺序按照开关切换次数最少的原则，分为七段式控制，如下图所示。由图可知，三相PWM波形的半周期脉冲宽度不一定相同，可