1、任课老师：蒋志宏、李辉任课老师：蒋志宏、李辉机电学院智能机器人研究所机电学院智能机器人研究所20142014年年-2015-2015年年第五章：机器人伺服驱动第五章：机器人伺服驱动5.1 5.1 伺服驱动控制伺服驱动控制原则和方法原则和方法5.2 5.2 伺服驱动伺服驱动控制控制5.2.1 5.2.1 伺服电机运动与驱动控制原理伺服电机运动与驱动控制原理5.2.2 5.2.2 伺服驱动电路设计伺服驱动电路设计5.2.3 5.2.3 伺服驱动多环路控制器设计伺服驱动多环路控制器设计5.2.4 5.2.4 伺服驱动系统测试与伺服驱动系统测试与指标指标5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控
2、制原则和方法n 伺服驱动器伺服驱动器在机器人中的作用相当于在机器人中的作用相当于人体的人体的肌肉肌肉：如果把：如果把连杆和关节连杆和关节想象为机器人的骨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。骼，那么伺服驱动器就起到人体肌肉作用。n 伺服驱动器伺服驱动器（Servo Drives）又称又称“伺服控制伺服控制器器/放大器放大器”，是用来，是用来控制伺服电机控制伺服电机的一种控的一种控制器，主要应用于制器，主要应用于高精度高精度定位系统。一般通定位系统。一般通过过位置、速度和力矩位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进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；行控制，实现高精
3、度的传动系统定位；1 1、伺服驱动伺服驱动定义定义5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法n 伺服驱动技术作为伺服驱动技术作为数控机床数控机床、（工业）机器人及、（工业）机器人及其它机其它机械控制械控制的关键技术之一；的关键技术之一；n 2020世纪最后世纪最后1010年间，微处理器年间，微处理器(特别是特别是DSP)DSP)技术、技术、电力电力电子技术、电子技术、网络技术、网络技术、控制技术控制技术的发展为伺服驱动技术的发展为伺服驱动技术奠定了良好基础。奠定了良好基础。n 2020世纪世纪8080年代是交流伺服技术取代直流伺服技术；年代是交流伺服技术取代直流伺服技术；n
4、2020世纪世纪9090年代是伺服驱动技术实现全数字化、智能化、年代是伺服驱动技术实现全数字化、智能化、网络化的网络化的1010年。年。（百度搜词条（百度搜词条“伺服驱动器伺服驱动器”和和“伺服驱动系统伺服驱动系统”了解）了解）2 2、伺服驱动伺服驱动简介简介5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法n 电机伺服驱动器电机伺服驱动器（交直流伺服电机：直流电（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。）动电机，还有步进电机等。）n 液压伺服驱动器液压伺服驱动器n 气动伺服驱动器气动伺服驱动器n 记忆
5、金属伺服驱动器记忆金属伺服驱动器n 压电陶瓷伺服驱动器（致伸缩驱动器）压电陶瓷伺服驱动器（致伸缩驱动器）3 3、伺服驱动伺服驱动器种类器种类4 4、伺服驱动系统组成、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 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法5 5、伺服驱动控制拓扑、伺服驱动控制拓扑伺服电机多环路控制拓扑5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法6 6、直流、直流伺服伺服电机的电机的驱动驱动原理原理电流磁效应可知，电流磁效应可知，通电导体周围会产通
6、电导体周围会产生磁场，从而使得生磁场，从而使得通电导体在磁场中通电导体在磁场中受到安培力作用。受到安培力作用。5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法6 6、直流、直流伺服伺服电机的电机的驱动驱动原理原理 为了使得通电线圈能够连续运转，当线圈越过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。续在磁场中运转。直流电动机
7、转速和其他参量之间的稳态关系：U-IRn=Ken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 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法7 7、直流、直流伺服伺服电机的调速原理电机的调速原理5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法7 7、直流、直流伺服伺服电机的调速原理电机的调速原理调节电动机的转速有三种方法：n调节电枢供电电压；n减弱励磁磁通；n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
8、式为最好。改变电阻只，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。控制的直流调速系统往往以变压调速为主。5.1 5.1 伺服驱动控制原则和方法伺服驱动控制原则和方法8 8、直流电机位置、直流电机位置伺服伺服控制原理控制原理nsTTsTsTTKsUsmaamabam1111)()(2脉宽调制（脉宽调制
9、（PWM）技术）技术内容：内容：n脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）定义及）定义及PWMPWM信号发生原理；信号发生原理；n占空比的含义。占空比的含义。要求：要求：n掌握掌握PWMPWM的发生原理，理解占空比的含义。的发生原理，理解占空比的含义。5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制1、脉宽调制、脉宽调制（PWM）技术介绍）技术介绍 n 脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM：Pulse-Width ModulationPulse-Width Modulation）是利用一种数字）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，广泛应用信号来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛
10、应用在功率控制与变换、测量和通信等领域中在功率控制与变换、测量和通信等领域中;n 采样控制理论中有一个重要结论：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。冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWMPWM对开关器件对开关器件的的导通和关断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。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，既可按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制
11、，既可改变电路改变电路输出电输出电压的大小压的大小，也可改变输出频率。，也可改变输出频率。5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制2 2、PWMPWM信号发生原理信号发生原理 n模拟电路产生模拟电路产生PWMPWM原理原理n数字电路产生数字电路产生PWMPWM原理原理5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制n 模拟电路产生模拟电路产生PWMPWM原理原理 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。模拟电路产生没有限制。模拟电路产生PWMPWM信号的一般原理如图所示。信号的一般原理如图所示。图图 模拟电路产生模拟电路产生PWMPWM
12、信号原理示意图信号原理示意图5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制模拟电路模拟电路PWMPWM发生步骤发生步骤 n 第一步：通过电阻第一步：通过电阻R R和电容和电容C C设定开关周期设定开关周期TsTs（开关频率（开关频率f f1/Ts1/Ts）；）；n 第二步：通过振荡器产生载波，即图中锯齿波第二步：通过振荡器产生载波，即图中锯齿波/三角波；三角波；n 第三步：根据需要产生一个控制信号即调制波，然后，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；载波和调制波的值通过比较器进行比较；n 第四步：比较器比较的结果产生第四步：比较器比较的结果产生PWMPW
13、M信号。信号。5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制n 数字电路产生数字电路产生PWMPWM原理原理 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 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制数字数字PWM信号发生步骤信号发生步骤n 第一步：通过周期寄存器（第一步：通过周期寄存器（Period Register）设定开关周）设定开关周期期Ts（开关频率（开关频率f1/Ts）；（设计者设定）；（设计者设定）n 第二步：相应的定时器（第二步：相应的定时器（Timer Regi
14、ster）开始计数产生）开始计数产生图图3中的锯齿波中的锯齿波/三角波；（不需要设定，自动计数）三角波；（不需要设定，自动计数）n 第三步：根据需要产生一个控制信号即调制波，用此值第三步：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（装载比较寄存器（Compare Register），然后，），然后，Timer Register和和Compare Register的值进行比较，比较的结果的值进行比较，比较的结果送往送往PWM发生电路；发生电路；n 第四步：第四步：PWM发生电路根据比较的结果产生发生电路根据比较的结果产生PWM信号。信号。5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制3 3
15、、脉宽调制基本原理、脉宽调制基本原理脉宽调制的基本原理是通过脉宽调制的基本原理是通过占空比占空比的变化来实的变化来实现能量、信号等的调节。下图显示了三种不同的现能量、信号等的调节。下图显示了三种不同的PWMPWM信号。图（信号。图（a a）是一个占空比为）是一个占空比为10%10%的的PWMPWM信号，即在信号，即在信号周期中，信号周期中，1010的时间通，其余的时间通，其余9090的时间断；的时间断；图（图（b b）和图（）和图（c c）显示的分别是占空比为）显示的分别是占空比为50%50%和和90%90%的的PWMPWM信号。信号。5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制（a）占空比为10
16、%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 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制占空比含义理解：占空比含义理解：BUCKBUCK变换器变换器内容：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：要求：理解占空比的含义。5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制1、Buck变换器拓扑与工作原理图图 Buck Buck变换器主电路拓扑变换器主电路拓扑5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制2、BUCK变换器等效电路图2 S is ON：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
17、是脉动的，但输出电流Io，在L、D、C作用下却是连续、平稳的。图3 S is OFF：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iL 1/2时，r为正，电动机正转；当d0,则A=1，反之A=0；V 20,则B=1，反之B=0；V 3 0,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，
18、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。数字实现方式数字实现方式5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制扇区扇区 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 矢量作用时间分配矢量作用时间分配T1+T2Ts !DANGER2333SdcSSdcdcSSdcdcTXuUTTYuuUUTTZuuUUn 开关矢量时间确定开关矢量时间确定5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制 作用时间作用时间扇区扇区T0/4T0/4零矢量零矢量T1/2T1/2第一矢
19、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000000100100110110111111110110100100000000000000010010110110111111110110010010000000000000010010011011111111011011010010000000000000001001011011111111011011001001000000000000001001101101111111101101001001000000000000100
20、1001011011111111011011001000000005.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制n 控制时间分配控制时间分配n 确定各个电压矢量的工作顺序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，可得到在不同扇区中进行适量切换的切换点Ta、Tb、Tc，将切换点和正弦波进行比较就可以得到SVPWM波。计算出三相PWM波形的半周期脉冲宽度Ta、Tb、Tc以后，再根据下表确定这些PWM波与三相逆变器输出的对应关系。1221/2/2XSYXZYTTTTTTTTTT扇区编号NA相B相C相XTZTYTXTYTZTZTXTZTYTXTYTZTZTYTXT扇区编号与三相PWM半周期脉冲宽度的关系空间矢量调制产生的对称PWM5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制XTYT5.2 5.2 伺服驱动控制伺服驱动控制
