机器人伺服驱动

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、伺服驱动系统组成多环路控制器功率放大电机转速输出检测ENC控制指令传动机构PWMPWM驱动电流位置执行机构DSP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PIDH桥MOTOR电流传感器+PID位置传感器位置传感器1/NPID++---PWMPos_RefPos_FbSpd_RefSpd_FbT_RefT_FbN-减速器比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RdLdUdUe5.1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：U-IRn=KeΦn－转速（r／min）；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nsTTsTsTTKsUsmaamabam1111)()(2+PID+PID+**I*PIDIH桥脉宽调制（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。oscillator载波RCVs调制波VcVsVc比较器PWM信号Ts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设定开关周期Ts（开关频率f＝1/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。***PeriodRegisterSetTsTsValueofTimerRegisterPWMSignalValueofCompareRegister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f＝1/Ts）；（设计者设定）第二步：相应的定时器（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）显示的分别是占空比为50%和90%的PWM信号。5.2伺服驱动控制TsTs/10d=（Ts/10）/Ts＝10％（a）占空比为10%的PWM信号Ts/2Tsd=（Ts/2）/Ts＝50％Ts/2Tsd=（9*Ts/10）/Ts＝90％（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VsSDCRVoL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VsCRVoisiLicIoid=0L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，is＝0。故电流is是脉动的，但输出电流Io，在L、D、C作用下却是连续、平稳的。VsCRVois=0iLicIoidL图3SisOFF：等效电路工作原理开关S开通时,如图所示，电流is＝iL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iLIo时，电容处在放电状态来维持Io、Vo，此时二极管D导通，为iL构成回路，故称为续流二极管。5.2伺服驱动控制ttttttVgsVDiLVLisiDDTs1-DTsVsCRVoisiLicIoid=0LVsCRVois=0iLicIoidL电感电流连续5.2伺服驱动控制ont10Vs-VoVs-VoidtDTsLLLTs：开关周期D：导通时间占空比；ton：导通时间，ton＝DTs；toff：关断时间，toff＝1－DTs；SisON：开关管导通时，电感电流线性上升，其增量为：SisOFF：开关管关断时，电感电流线性下降升，其增量为：offt20-VoVoidt-(1-D)TsLLL（1）（2）3、输入电压与输出电压关系5.2伺服驱动控制由于稳态时这两个变化量相等，即，所以有式（1）等于式（2）,可以得到：Vo＝VsD。L1L2iiPWM控制开关器件原理内容：•电力电子器件的发展；•电力电子器件的基本工作原理；•功率场效应管（MOSFET）及驱动。要求：•理解开关管的开通和关断过程。5.2伺服驱动控制1、电力电子器件的发展电力电子器件又称开/关器件,相当于信号电路中的A/D采样,称之为功率采样;器件的工作过程就是能量过渡过程，实现电力电子器件开/关工作的是PWM。5.2伺服驱动控制绝缘栅双极晶体管:IGBT－InsulatedGateBipolarTransistor;MOS控制晶闸管:MCT－MOS-ControlledThyristor;集成门极换流晶闸管:IGCT－IntergratedGateCommutatedThyristors;电子注入增强栅晶体管:IEGT－InjectionEnhancedGateTransistor;集成电力电子模块:IPEM－IntergratedPowerElactronicsModules；电力电子积木:PEBB－PowerElectricBuildingBlock。电力电子器件的主要发展成果5.2伺服驱动控制2、电力电子器件基本工作原理一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性:在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。5.2伺服驱动控制器件基本工作原理－PN结PNAK图PN结的结构及电路符号（a）结构（b）电路符号5.2伺服驱动控制PN结的工作原理自建电场（a）零偏置此时，交界处两边的多子浓度差引起了两边的多子各自向对方区扩散，致使PN结附近形成一个空间电荷区，形成了一个自建电场，其方向如图（a）所示。该电场方向恰好起着阻碍多子扩散的作用，直到建立动平衡为止，空间电荷区也就扩展到一定的宽度。这时通过空间电荷区的多子扩散电流与在自建电场推动下通过空间电荷区的少子漂流电流相等。因此，总体上看，没有电流流过PN结。5.2伺服驱动控制自身电场外加电场IPIN（b）正偏置此时，外加电场消弱了内部电场，空间电荷区缩小了，因而也就消弱了自建电场对少子扩散的阻碍作用，原来的动平衡被破坏。这时P区的空穴不断涌入N区，N区的电子不断涌入P区，各自成为对方区域中的少数载流子。因此，有电流流过PN结。5.2伺服驱动控制基区电导调制效应•当PN结通过正向大电流时，其上的电压压降只有0.7V左右。这是因为在通过正向大电流时，注入基区（通常是N型材料）的空穴浓度大大超过原始N型基片的多子浓度，为了维持半导体中电中性条件，多子浓度也要相应大幅度增加，这意味着，在大注入条件下原始基片的电阻率实际上大大地下降了，也就是电导率大大增加了，这就是所谓的基区电导调制效应。5.2伺服驱动控制自身电场外加电场（c）反向偏置图PN结的工作原理5.2伺服驱动控制没有电流流过PN结,处于关断状态。3、功率场效应管（MOSFET）图MOS类型（a）N型（b）P型漏极D源极S栅极G体内DGDCGSCDSC漏极D源极S栅极G体内DGDCGSCDSCI1I2Ig高频开关器件；具有正温度特性，可以直接并联。5.2伺服驱动控制MOS管的PWM驱动图MOS典型驱动电路5