機器人伺服驅(qū)動

1、任課老師：蔣志宏、李輝任課老師：蔣志宏、李輝機電學院智能機器人研究所機電學院智能機器人研究所20142014年年-2015-2015年年第五章：機器人伺服驅(qū)動第五章：機器人伺服驅(qū)動5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制原則和方法原則和方法5.2 5.2 伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動控制控制5.2.1 5.2.1 伺服電機運動與驅(qū)動控制原理伺服電機運動與驅(qū)動控制原理5.2.2 5.2.2 伺服驅(qū)動電路設計伺服驅(qū)動電路設計5.2.3 5.2.3 伺服驅(qū)動多環(huán)路控制器設計伺服驅(qū)動多環(huán)路控制器設計5.2.4 5.2.4 伺服驅(qū)動系統(tǒng)測試與伺服驅(qū)動系統(tǒng)測試與指標指標5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控

2、制原則和方法n 伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器在機器人中的作用相當于在機器人中的作用相當于人體的人體的肌肉肌肉：如果把：如果把連桿和關節(jié)連桿和關節(jié)想象為機器人的骨想象為機器人的骨骼，那么伺服驅(qū)動器就起到人體肌肉作用。骼，那么伺服驅(qū)動器就起到人體肌肉作用。n 伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器（Servo Drives）又稱又稱“伺服控制伺服控制器器/ /放大器放大器”，是用來，是用來控制伺服電機控制伺服電機的一種控的一種控制器，主要應用于制器，主要應用于高精度高精度定位系統(tǒng)。一般通定位系統(tǒng)。一般通過過位置、速度和力矩位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位；行控制，實現(xiàn)

3、高精度的傳動系統(tǒng)定位；1 1、伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動定義定義5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法n 伺服驅(qū)動技術作為伺服驅(qū)動技術作為數(shù)控機床數(shù)控機床、（工業(yè)）機器人及、（工業(yè)）機器人及其它機其它機械控制械控制的關鍵技術之一；的關鍵技術之一；n 2020世紀最后世紀最后1010年間，微處理器年間，微處理器( (特別是特別是DSP)DSP)技術、技術、電力電力電子技術、電子技術、網(wǎng)絡技術、網(wǎng)絡技術、控制技術控制技術的發(fā)展為伺服驅(qū)動技術的發(fā)展為伺服驅(qū)動技術奠定了良好基礎。奠定了良好基礎。n 2020世紀世紀8080年代是交流伺服技術取代直流伺服技術；年代是交流伺服技術取代直流伺服技

4、術；n 2020世紀世紀9090年代是伺服驅(qū)動技術實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、年代是伺服驅(qū)動技術實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的網(wǎng)絡化的1010年。年。（百度搜詞條（百度搜詞條“伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器”和和“伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)”了解）了解）2 2、伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動簡介簡介5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法n 電機伺服驅(qū)動器電機伺服驅(qū)動器（交直流伺服電機：直流電（交直流伺服電機：直流電機、永磁同步電機、直流無刷電機、直接驅(qū)機、永磁同步電機、直流無刷電機、直接驅(qū)動電機，還有步進電機等。）動電機，還有步進電機等。）n 液壓伺服驅(qū)動器液壓伺服驅(qū)動器n 氣動伺服驅(qū)動器氣動伺服驅(qū)動器

5、n 記憶金屬伺服驅(qū)動器記憶金屬伺服驅(qū)動器n 壓電陶瓷伺服驅(qū)動器（致伸縮驅(qū)動器）壓電陶瓷伺服驅(qū)動器（致伸縮驅(qū)動器）3 3、伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動器種類器種類4 4、伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成、伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成涉及學科：電路原理、模電數(shù)電、電力電子、控制技術、信息及智能技術等等。5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法5 5、伺服驅(qū)動控制拓撲、伺服驅(qū)動控制拓撲伺服電機多環(huán)路控制拓撲5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法6 6、直流、直流伺服伺服電機的電機的驅(qū)動驅(qū)動原理原理電流磁效應可知，電流磁效應可知，通電導體周

6、圍會產(chǎn)通電導體周圍會產(chǎn)生磁場，從而使得生磁場，從而使得通電導體在磁場中通電導體在磁場中受到安培力作用。受到安培力作用。5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法6 6、直流、直流伺服伺服電機的電機的驅(qū)動驅(qū)動原理原理 為了使得通電線圈能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)，當線圈越過為了使得通電線圈能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)，當線圈越過平衡位置后及時改變對線圈供電電流的方向，那平衡位置后及時改變對線圈供電電流的方向，那么線圈就能連續(xù)轉(zhuǎn)動起來。換向器和電刷的目的么線圈就能連續(xù)轉(zhuǎn)動起來。換向器和電刷的目的就是改變線圈的供電電流方向。這樣線圈就能連就是改變線圈的供電電流方向。這樣線圈就能連續(xù)在磁場中運轉(zhuǎn)。續(xù)在磁場中運轉(zhuǎn)。

7、直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關系：U-IRn=Ken轉(zhuǎn)速 （rmin）；U電樞電壓 （V）；I電樞電流 （A）；R電樞回路總電阻 （歐姆）； 勵磁磁通 （Wb）；Ke由電機結構決定的電動勢常數(shù)。5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法7 7、直流、直流伺服伺服電機的調(diào)速原理電機的調(diào)速原理5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法7 7、直流、直流伺服伺服電機的調(diào)速原理電機的調(diào)速原理調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法：n調(diào)節(jié)電樞供電電壓；n減弱勵磁磁通；n改變電樞回路電阻R。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說

8、，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速 （額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主?？刂频闹绷髡{(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。5.1 5.1 伺服驅(qū)動控制原則和方法伺服驅(qū)動控制原則和方法8 8、直流電機位置、直流電機位置伺服伺服控制原理控制原理nsTTsTsTTKsUsmaamabam1111)(

9、)(2脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）技術）技術內(nèi)容：內(nèi)容：n脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWMPWM）定義及）定義及PWMPWM信號發(fā)生原理；信號發(fā)生原理；n占空比的含義。占空比的含義。要求：要求：n掌握掌握PWMPWM的發(fā)生原理，理解占空比的含義。的發(fā)生原理，理解占空比的含義。5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制1、脈寬調(diào)制、脈寬調(diào)制（PWM）技術介紹）技術介紹 n 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（ PWMPWM：Pulse-Width ModulationPulse-Width Modulation）是利用一種數(shù)字）是利用一種數(shù)字信號來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用信號來對模擬電路進行控制

10、的一種非常有效的技術，廣泛應用在功率控制與變換、測量和通信等領域中在功率控制與變換、測量和通信等領域中; ;n 采樣控制理論中有一個重要結論：采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWMPWM對開關器件對開關器件的的導通和關斷導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可按一

11、定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變電路改變電路輸出電輸出電壓的大小壓的大小，也可改變輸出頻率。，也可改變輸出頻率。5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制2 2、PWMPWM信號發(fā)生原理信號發(fā)生原理 n模擬電路產(chǎn)生模擬電路產(chǎn)生PWMPWM原理原理n數(shù)字電路產(chǎn)生數(shù)字電路產(chǎn)生PWMPWM原理原理5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制n 模擬電路產(chǎn)生模擬電路產(chǎn)生PWMPWM原理原理 模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。模擬電路產(chǎn)生沒有限制。模擬電路產(chǎn)生PWMPWM信號的一般原理如圖所示。信號的一般原理如圖所示。圖圖 模擬電

12、路產(chǎn)生模擬電路產(chǎn)生PWMPWM信號原理示意圖信號原理示意圖5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制模擬電路模擬電路PWMPWM發(fā)生步驟發(fā)生步驟 n 第一步：通過電阻第一步：通過電阻R R和電容和電容C C設定開關周期設定開關周期TsTs（開關頻率（開關頻率f f1/Ts1/Ts）；）；n 第二步：通過振蕩器產(chǎn)生載波，即圖中鋸齒波第二步：通過振蕩器產(chǎn)生載波，即圖中鋸齒波/ /三角波；三角波；n 第三步：根據(jù)需要產(chǎn)生一個控制信號即調(diào)制波，然后，第三步：根據(jù)需要產(chǎn)生一個控制信號即調(diào)制波，然后，載波和調(diào)制波的值通過比較器進行比較；載波和調(diào)制波的值通過比較器進行比較；n 第四步：比較器比較的結果產(chǎn)生第四

13、步：比較器比較的結果產(chǎn)生PWMPWM信號。信號。5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制n 數(shù)字電路產(chǎn)生數(shù)字電路產(chǎn)生PWMPWM原理原理 數(shù)字電路產(chǎn)生PWM信號的原理與模擬電路一樣，不同的是，數(shù)字電路產(chǎn)生PWM信號是通過寄存器的設置來實現(xiàn)的。數(shù)字電路產(chǎn)生PWM信號的原理如圖所示。 圖 數(shù)字電路產(chǎn)生PWM信號原理5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制數(shù)字數(shù)字PWM信號發(fā)生步驟信號發(fā)生步驟n 第一步：通過周期寄存器（第一步：通過周期寄存器（Period Register）設定開關周）設定開關周期期Ts（開關頻率（開關頻率f1/Ts）；（設計者設定）；（設計者設定）n 第二步：相應的定時器（第二步

14、：相應的定時器（Timer Register）開始計數(shù)產(chǎn)生）開始計數(shù)產(chǎn)生圖圖3中的鋸齒波中的鋸齒波/三角波；（不需要設定，自動計數(shù)）三角波；（不需要設定，自動計數(shù)）n 第三步：根據(jù)需要產(chǎn)生一個控制信號即調(diào)制波，用此值第三步：根據(jù)需要產(chǎn)生一個控制信號即調(diào)制波，用此值裝載比較寄存器（裝載比較寄存器（Compare Register），然后，），然后，Timer Register和和Compare Register的值進行比較，比較的結果的值進行比較，比較的結果送往送往PWM發(fā)生電路；發(fā)生電路；n 第四步：第四步：PWM發(fā)生電路根據(jù)比較的結果產(chǎn)生發(fā)生電路根據(jù)比較的結果產(chǎn)生PWM信號。信號。5.2 5

15、.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制3 3、脈寬調(diào)制基本原理、脈寬調(diào)制基本原理脈寬調(diào)制的基本原理是通過脈寬調(diào)制的基本原理是通過占空比占空比的變化來實的變化來實現(xiàn)能量、信號等的調(diào)節(jié)。下圖顯示了三種不同的現(xiàn)能量、信號等的調(diào)節(jié)。下圖顯示了三種不同的PWMPWM信號。圖（信號。圖（a a）是一個占空比為）是一個占空比為10%10%的的PWMPWM信號，即在信號，即在信號周期中，信號周期中，1010的時間通，其余的時間通，其余9090的時間斷；的時間斷；圖（圖（b b）和圖（）和圖（c c）顯示的分別是占空比為）顯示的分別是占空比為50%50%和和90%90%的的PWMPWM信號。信號。5.2 5.2 伺服驅(qū)

16、動控制伺服驅(qū)動控制（a）占空比為10%的PWM信號（b）占空比為50%的PWM信號圖 不同占空比的PWM信號（c）占空比為90%的PWM信號5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制占空比含義理解：占空比含義理解：BUCKBUCK變換器變換器內(nèi)容：內(nèi)容： BUCK變換器工作原理； 輸入電壓與輸出電壓的關系-占空比要求：要求： 理解占空比的含義。5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制1、Buck變換器拓撲與工作原理圖圖 Buck Buck變換器主電路拓撲變換器主電路拓撲5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制2、BUCK變換器等效電路圖2 S is ON：等效電路 工作中輸入電流is，在開關導通

17、時，is0,開關關閉時，is0。故電流is是脈動的，但輸出電流Io，在L、 D 、 C作用下卻是連續(xù)、平穩(wěn)的。圖3 S is OFF：等效電路工作原理 開關S開通時,如圖所示，電流isiL流過電感線圈L,電感電流線性增加，負載電阻R上流過電流Io，輸出電壓為Vo。當is大于Io時，電容在充電狀態(tài)，此時，二極管D承受反向電壓截至。 開關S關斷時，電感中的磁場改變電壓極性，以維持電流iL。當iL 1/2時，r為正，電動機正轉(zhuǎn)；當d0,則A=1，反之A=0；V 20,則B=1，反之B=0；V 3 0,則C=1，反之C=0。N =A+2B+4C當N=3時，Uref位于第扇區(qū)；當N=1時，Uref位于第

18、扇區(qū)；當N=5時，Uref 位于第扇區(qū)；當N=4時，Uref 位于第扇區(qū)；當N=6時，Uref 位于第扇區(qū)；當N=2時，Uref 位于第扇區(qū)。數(shù)字實現(xiàn)方式數(shù)字實現(xiàn)方式5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制扇區(qū)扇區(qū) N N3 31 15 54 46 62 2T1T1-Z-ZZ ZX X-X-X-Y-YY YT2T2X XY Y-Y-YZ Z-Z-Z-X-X表表 矢量作用時間分配矢量作用時間分配T1+T2Ts ! !DANGER2333SdcSSdcdcSSdcdcTXuUTTYuuUUTTZuuUUn 開關矢量時間確定開關矢量時間確定5.2 5.2 伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制 作用時間作用時間扇區(qū)扇區(qū)T0/4T0/4零矢量零矢量T1/2T1/2第一矢量第一矢量T2/2T2/2第二矢量第二矢量T0/2T0/2零矢量零矢量T2/2T2/2第二矢第二矢量量T1/2T1/2第一矢第一矢量量T0/4T0/4零矢零矢量量000000100100110110111111110110100100000000