機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)

1、任課老師：蔣志宏、李輝任課老師：蔣志宏、李輝機(jī)電學(xué)院智能機(jī)器人研究所機(jī)電學(xué)院智能機(jī)器人研究所20142014年年-2015-2015年年第五章：機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)第五章：機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法原則和方法5.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)控制控制5.2.1 5.2.1 伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)控制原理伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)控制原理5.2.2 5.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5.2.3 5.2.3 伺服驅(qū)動(dòng)多環(huán)路控制器設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)多環(huán)路控制器設(shè)計(jì)5.2.4 5.2.4 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試與指標(biāo)指標(biāo)5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控

2、制原則和方法n 伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的人體的肌肉肌肉：如果把：如果把連桿和關(guān)節(jié)連桿和關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨想象為機(jī)器人的骨骼，那么伺服驅(qū)動(dòng)器就起到人體肌肉作用。骼，那么伺服驅(qū)動(dòng)器就起到人體肌肉作用。n 伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)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(lái)，是用來(lái)控制伺服電機(jī)控制伺服電機(jī)的一種控的一種控制器，主要應(yīng)用于制器，主要應(yīng)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(guò)過(guò)位置、速度和力矩位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位；行控制，實(shí)現(xiàn)

3、高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位；1 1、伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)定義定義5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法n 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床、（工業(yè)）機(jī)器人及、（工業(yè)）機(jī)器人及其它機(jī)其它機(jī)械控制械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一；的關(guān)鍵技術(shù)之一；n 2020世紀(jì)最后世紀(jì)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(shù)、技術(shù)、電力電力電子技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。奠定了良好基礎(chǔ)。n 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代是交流伺服技術(shù)取代直流伺服技術(shù)；年代是交流伺服技術(shù)取代直流伺服技

4、術(shù)；n 2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代是伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、年代是伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的網(wǎng)絡(luò)化的1010年。年。（百度搜詞條（百度搜詞條“伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器”和和“伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”了解）了解）2 2、伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法n 電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器（交直流伺服電機(jī)：直流電（交直流伺服電機(jī)：直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、直接驅(qū)機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還有步進(jìn)電機(jī)等。）動(dòng)電機(jī)，還有步進(jìn)電機(jī)等。）n 液壓伺服驅(qū)動(dòng)器液壓伺服驅(qū)動(dòng)器n 氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器

5、n 記憶金屬伺服驅(qū)動(dòng)器記憶金屬伺服驅(qū)動(dòng)器n 壓電陶瓷伺服驅(qū)動(dòng)器（致伸縮驅(qū)動(dòng)器）壓電陶瓷伺服驅(qū)動(dòng)器（致伸縮驅(qū)動(dòng)器）3 3、伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器種類器種類4 4、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成涉及學(xué)科：電路原理、模電數(shù)電、電力電子、控制技術(shù)、信息及智能技術(shù)等等。5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法5 5、伺服驅(qū)動(dòng)控制拓?fù)洹⑺欧?qū)動(dòng)控制拓?fù)渌欧姍C(jī)多環(huán)路控制拓?fù)?.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法6 6、直流、直流伺服伺服電機(jī)的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理原理電流磁效應(yīng)可知，電流磁效應(yīng)可知，通電導(dǎo)體周

6、圍會(huì)產(chǎn)通電導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而使得生磁場(chǎng)，從而使得通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到安培力作用。受到安培力作用。5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法6 6、直流、直流伺服伺服電機(jī)的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理原理 為了使得通電線圈能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)線圈越過(guò)為了使得通電線圈能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)線圈越過(guò)平衡位置后及時(shí)改變對(duì)線圈供電電流的方向，那平衡位置后及時(shí)改變對(duì)線圈供電電流的方向，那么線圈就能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。換向器和電刷的目的么線圈就能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。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(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)。續(xù)在磁場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)。

7、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)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(lì)磁磁通 （Wb）；Ke由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法7 7、直流、直流伺服伺服電機(jī)的調(diào)速原理電機(jī)的調(diào)速原理5.1 5.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法7 7、直流、直流伺服伺服電機(jī)的調(diào)速原理電機(jī)的調(diào)速原理調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：n調(diào)節(jié)電樞供電電壓；n減弱勵(lì)磁磁通；n改變電樞回路電阻R。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)

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(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但能實(shí)現(xiàn)有級(jí)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(dòng)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)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(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法8 8、直流電機(jī)位置、直流電機(jī)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(shù)）技術(shù)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(hào)發(fā)生原理；信號(hào)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(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)控制1、脈寬調(diào)制、脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)介紹）技術(shù)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(hào)來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用信號(hào)來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制

10、的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在功率控制與變換、測(cè)量和通信等領(lǐng)域中在功率控制與變換、測(cè)量和通信等領(lǐng)域中; ;n 采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)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(shí)，其效果基本相同。沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWMPWM對(duì)開(kāi)關(guān)器件對(duì)開(kāi)關(guān)器件的的導(dǎo)通和關(guān)斷導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度進(jìn)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(lái)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(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可按一

11、定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)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(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)控制2 2、PWMPWM信號(hào)發(fā)生原理信號(hào)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(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制。模擬電路產(chǎn)生沒(méi)有限制。模擬電路產(chǎn)生PWMPWM信號(hào)的一般原理如圖所示。信號(hào)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(hào)原理示意圖信號(hào)原理示意圖5.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)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(guò)電阻第一步：通過(guò)電阻R R和電容和電容C C設(shè)定開(kāi)關(guān)周期設(shè)定開(kāi)關(guān)周期TsTs（開(kāi)關(guān)頻率（開(kāi)關(guān)頻率f f1/Ts1/Ts）；）；n 第二步：通過(guò)振蕩器產(chǎn)生載波，即圖中鋸齒波第二步：通過(guò)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(gè)控制信號(hào)即調(diào)制波，然后，第三步：根據(jù)需要產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)即調(diào)制波，然后，載波和調(diào)制波的值通過(guò)比較器進(jìn)行比較；載波和調(diào)制波的值通過(guò)比較器進(jìn)行比較；n 第四步：比較器比較的結(jié)果產(chǎn)生第四

13、步：比較器比較的結(jié)果產(chǎn)生PWMPWM信號(hào)。信號(hào)。5.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)是通過(guò)寄存器的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字電路產(chǎn)生PWM信號(hào)的原理如圖所示。 圖 數(shù)字電路產(chǎn)生PWM信號(hào)原理5.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)控制數(shù)字?jǐn)?shù)字PWM信號(hào)發(fā)生步驟信號(hào)發(fā)生步驟n 第一步：通過(guò)周期寄存器（第一步：通過(guò)周期寄存器（Period Register）設(shè)定開(kāi)關(guān)周）設(shè)定開(kāi)關(guān)周期期Ts（開(kāi)關(guān)頻率（開(kāi)關(guān)頻率f1/Ts）；（設(shè)計(jì)者設(shè)定）；（設(shè)計(jì)者設(shè)定）n 第二步：相應(yīng)的定時(shí)器（第二步

14、：相應(yīng)的定時(shí)器（Timer Register）開(kāi)始計(jì)數(shù)產(chǎn)生）開(kāi)始計(jì)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(shè)定，自動(dòng)計(jì)數(shù)）三角波；（不需要設(shè)定，自動(dòng)計(jì)數(shù)）n 第三步：根據(jù)需要產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)即調(diào)制波，用此值第三步：根據(jù)需要產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)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(jìn)行比較，比較的結(jié)果的值進(jìn)行比較，比較的結(jié)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(jié)果產(chǎn)生發(fā)生電路根據(jù)比較的結(jié)果產(chǎn)生PWM信號(hào)。信號(hào)。5.2 5

15、.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)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(guò)脈寬調(diào)制的基本原理是通過(guò)占空比占空比的變化來(lái)實(shí)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)能量、信號(hào)等的調(diào)節(jié)。下圖顯示了三種不同的現(xiàn)能量、信號(hào)等的調(diào)節(jié)。下圖顯示了三種不同的PWMPWM信號(hào)。圖（信號(hào)。圖（a a）是一個(gè)占空比為）是一個(gè)占空比為10%10%的的PWMPWM信號(hào)，即在信號(hào)，即在信號(hào)周期中，信號(hào)周期中，1010的時(shí)間通，其余的時(shí)間通，其余9090的時(shí)間斷；的時(shí)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(hào)。信號(hào)。5.2 5.2 伺服驅(qū)

16、動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)控制（a）占空比為10%的PWM信號(hào)（b）占空比為50%的PWM信號(hào)圖 不同占空比的PWM信號(hào)（c）占空比為90%的PWM信號(hào)5.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)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(guān)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(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)控制1、Buck變換器拓?fù)渑c工作原理圖圖 Buck Buck變換器主電路拓?fù)渥儞Q器主電路拓?fù)?.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通

17、時(shí)，is0,開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，is0。故電流is是脈動(dòng)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(kāi)關(guān)S開(kāi)通時(shí),如圖所示，電流isiL流過(guò)電感線圈L,電感電流線性增加，負(fù)載電阻R上流過(guò)電流Io，輸出電壓為Vo。當(dāng)is大于Io時(shí)，電容在充電狀態(tài)，此時(shí)，二極管D承受反向電壓截至。 開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)，電感中的磁場(chǎng)改變電壓極性，以維持電流iL。當(dāng)iL 1/2時(shí)，r為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)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(dāng)N=3時(shí)，Uref位于第扇區(qū)；當(dāng)N=1時(shí)，Uref位于第

18、扇區(qū)；當(dāng)N=5時(shí)，Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng)N=4時(shí)，Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng)N=6時(shí)，Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng)N=2時(shí)，Uref 位于第扇區(qū)。數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式5.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)間分配矢量作用時(shí)間分配T1+T2Ts ! !DANGER2333SdcSSdcdcSSdcdcTXuUTTYuuUUTTZuuUUn 開(kāi)關(guān)矢量時(shí)間確定開(kāi)關(guān)矢量時(shí)間確定5.2 5.2 伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)控制 作用時(shí)間作用時(shí)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