第九讲(2) 机器人关节伺服驱动技术
机器人驱动方法
机器人驱动方法概述机器人驱动方法是指控制机器人运动和行为的技术和算法。
机器人驱动方法通常包括硬件和软件两个方面。
硬件方面涉及机器人的动力系统、传感器以及执行器等组件。
软件方面涉及机器人的控制算法、路径规划、感知和决策等模块。
机器人驱动方法的研究和发展是为了提高机器人的运动能力、工作效率和智能性，使机器人能够更好地完成人类指定的任务。
机器人驱动方法的分类机器人驱动方法可以根据不同的标准进行分类。
下面是几种常见的分类方法：基于动力系统的驱动方法主要研究机器人的动力学和控制。
这种方法通过对机器人的动力学模型进行建模和分析，设计出合适的控制算法来实现机器人的运动控制。
常见的动力系统包括轮式机器人、步行机器人和飞行器等。
2. 基于传感器的驱动方法基于传感器的驱动方法主要研究机器人的感知能力和环境感知算法。
通过利用各种传感器获取环境信息，并对其进行处理和分析，实现机器人对环境的感知和理解。
常见的传感器包括摄像头、激光雷达、惯性测量单元（IMU）等。
基于执行器的驱动方法主要研究机器人的执行器控制和运动规划算法。
通过对机器人的执行器进行控制，实现机器人的运动和行为。
常见的执行器包括电机、液压缸和舵机等。
4. 基于路径规划的驱动方法基于路径规划的驱动方法主要研究机器人在给定环境中的路径规划和运动控制。
通过对环境和机器人的状态进行建模和分析，设计出合适的路径规划算法，使机器人能够在复杂的环境中自主地规划和执行路径。
常见的路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法和RRT算法等。
常用的机器人驱动方法1. 基于 PID 控制的驱动方法PID（Proportional-Integral-Derivative）控制方法是一种经典的控制算法。
通过调节比例、积分和微分系数，PID 控制器可以对机器人的位置、速度等进行精确控制。
PID 控制方法简单易实现，广泛应用于机器人驱动领域。
2. 基于深度学习的驱动方法深度学习是一种基于神经网络的机器学习方法。
伺服控制技术在机器人姿态控制中的应用
伺服控制技术在机器人姿态控制中的应用机器人技术一直以来都备受关注，而机器人的姿态控制也是其关键技术之一。
然而，要实现机器人的姿态控制是一项非常复杂的任务，长期以来一直面临着诸多挑战。
而近年来，伺服控制技术的发展为机器人姿态控制提供了可靠的解决方法。
本文将探讨伺服控制技术在机器人姿态控制中的应用。
一、什么是机器人姿态控制机器人姿态控制是指机器人在三维空间中的位置、速度、加速度等状态的控制。
机器人姿态控制是机器人控制的基础，其实现对于机器人的高效稳定运动至关重要。
机器人的姿态控制可以通过多种方式实现，例如PID控制、模型预测控制、自适应控制等。
其中，伺服控制技术是机器人姿态控制中的常见方法之一，能够实现精准的位置和速度控制。
二、伺服控制技术概述伺服控制技术是一种通过反馈系统进行位置和速度控制的技术。
该技术通过将控制信号与被控制对象的状态比较，并根据误差修正控制信号，以达到精确的控制效果。
伺服控制技术在机器人控制中得到了广泛应用。
通过将伺服控制技术应用于机器人姿态控制中，可以实现对机器人在三维空间中的位置、速度、加速度等状态的精准控制。
三、伺服控制技术在机器人姿态控制中的应用主要包括两个方面：位置控制和速度控制。
1. 位置控制通过伺服控制技术实现机器人的位置控制可以让机器人在三维空间中实现精确的定位。
利用伺服控制技术，机器人可以通过反馈控制实现精准的位置调整。
因此，在机器人的装配、搬运和操作等领域，伺服控制技术得到了广泛应用。
2. 速度控制在机器人的高速运动过程中，需要精细的速度控制。
利用伺服控制技术，机器人可以在高速运动中实现快速的速度调整，从而保证机器人的稳定性和安全性。
因此，在机器人的高速运动领域，伺服控制技术的应用越来越广泛。
四、结论本文深入探讨了伺服控制技术在机器人姿态控制中的应用。
通过对伺服控制技术的概述和机器人姿态控制的需求分析，我们可以发现，伺服控制技术在机器人姿态控制中的应用前景非常广阔。
机器人伺服系统详解(组成-原理框图-执行元件-发展趋势)
机器人伺服系统详解（组成/原理框图/执行元件/发展趋势）若说当下的热门科技，机器人绝对算一个。
机器人作为典型的机电一体化技术密集型产品，它是如何实现运作的呢？
机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类，伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。
因而要了解机器人的运作过程，必然绕不过伺服系统。
伺服系统
伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。
广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。
狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
伺服系统的结构组成
机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
伺服系统组成原理框图
1、比较环节
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器
控制器通常是计算机或PID（比例、积分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输。
伺服系统与机器人控制简介
伺服系统与机器人控制初步 在运动控制系统中最常见的术语之一为所谓伺服系统(servomechanism)。广义的伺服
系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统，它并不一定局限于机 械运动。但是在很多情况下，伺服系统这个术语一般只狭义地应用于利用反馈和误差修正信 号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合，其作用是使输出的机械位移准确地 实现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。伺服系统的结构组成与其他 形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
调整时间 调整时间(Settling Time)为运动接受指令后进入并保持于可接受的指令位置误差范围 所需花费的时间。 +超调 超调(Overshoot)为欠阻尼系统中过校正行为的度量，这在位置伺服系统中是希望避免的。 稳态误差 稳态误差(Steady-State Error)为控制器完成校正行为后实际位置与指令位置之间的 差。 振动 ， 振动(Vibration)为当运行速度接近机械系统的自然频率时可导致结构的振动或振铃现 象，振铃也可由系统中速度或位置的突然改变引起。这种振荡将减小有效转矩并导致电动机 和控制器之间的失步。谐振可以通过机械手段如摩擦或粘滞阻尼器来抑制。 运动规划 运动规划(Motion profile)是一种以时间、位置和速度描述运动操作的方法。运动规划 的典型应用是数控设备中的速度曲线，它们是速度相对于时间或距离的一条三角形和梯形曲 线。
伺服系统最初应用于船舶驾驶和火炮控制，后来逐渐推广到很多领域，如天线位置控制、 制导和导航、数控机床和机器人等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：
(1)以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。 (2)在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距离同步传动， 例如轧钢机和长距离多段传送带的运动控制系统。 (3)使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令，这些指令可以是预先编制的， 也可能是随机产生的，如数控机床和行走机器人。 伺服系统按所用驱动元件的类型可分为液压伺服系统、气动伺服系统和机电伺服系统。 前两者特色明显，但应用范围有一定的限制。而机电伺服系统的能源是可以用最方便最灵活 的方式加以利用的电能，其驱动元件是可按各种特定需求设计和选用的电动机，可以达到最 为优异的系统性能，因此成为应用最为广泛的伺服系统。 伺服系统的控制精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中对高精度 的测量给予较高的重视，并研究各种附加措施来提高系统的精度。 衡量伺服系统性能的主要指标与一般的控制系统类似，例如其频域指标带宽由系统频率 响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽 主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于 15Hz，大型设备伺服系统的带宽则在 1～2Hz 以下。自 20 世纪 70 年代以来，由于发展 了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形 等非线性因素，使带宽达到 50Hz，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场 合。 下面介绍伺服系统中的一些基本概念。 坐标系统 一般认为任何定位平台坐标系统(coordinates)均具有 6 个自由度，其中有 3 个分别称 为 X、y 和 Z 轴的直线坐标，另外则是围绕 3 个直线坐标按右手定则形成的 3 个旋转坐标 A、 B 和 C。任何空间动作(movement)均可分解为沿直线坐标的平移(translation)和沿旋转 坐标的旋转(rotation)。 在一个运动控制系统中往往存在多个定位平台，例如机器人的肩、肘、腕关节和行走部
机器人技术驱动方法
机器人技术驱动方法随着科技的飞速发展，机器人技术已经深入到我们生活的各个领域，为我们的生活带来了前所未有的便利。
在这篇文章中，我们将探讨机器人技术的驱动方法，以及这些方法如何影响我们的未来。
一、电机驱动电机驱动是机器人技术中最常用的驱动方法之一。
电机驱动通过电动马达来驱动机器人的运动，可以通过调节电机的电压或电流来控制机器人的速度和方向。
这种驱动方法的优点是控制精度高，响应速度快，适用于需要高速运动的机器人。
二、液压驱动液压驱动是通过液压系统来驱动机器人的运动。
液压系统由液压泵、液压缸和控制系统组成。
液压驱动的优点是力量大、稳定性好，适用于需要高负载能力的机器人。
三、气压驱动气压驱动是通过气压系统来驱动机器人的运动。
气压系统由空气压缩机、气压缸和控制系统组成。
气压驱动的优点是速度快、响应灵敏，适用于需要快速反应的机器人。
四、电动-液压驱动电动-液压驱动结合了电机驱动和液压驱动的优点，具有高精度、高负载能力和快速响应的特点。
这种驱动方法通过电动马达来驱动液压泵，将液压油输送到液压缸中，从而驱动机器人的运动。
五、电动-气压驱动电动-气压驱动结合了电机驱动和气压驱动的优点，具有高精度、快速响应和低成本的特点。
这种驱动方法通过电动马达来驱动空气压缩机，将空气输送到气压缸中，从而驱动机器人的运动。
综上所述，机器人技术的驱动方法有多种，每种方法都有其独特的优点和适用范围。
随着技术的不断发展，我们相信未来还会有更多创新的驱动方法出现，为我们的生活带来更多的便利和可能性。
工业机器人直接电驱动技术研究引言随着工业自动化的快速发展，工业机器人已成为现代制造业的重要支柱。
在工业机器人的驱动技术中，直接电驱动技术以其高精度、高速度和高效率等优势，逐渐引起了研究人员的。
本文将重点探讨工业机器人直接电驱动技术的研究现状和应用前景。
研究现状直接电驱动技术是一种通过直接电能输入来驱动机器人运动的技术。
在工业机器人领域，直接电驱动技术主要分为以下几种类型：1、肌肉驱动肌肉驱动是一种通过模仿生物肌肉的电驱动技术。
伺服电机作用及工作原理
伺服电机作用及工作原理嘿，朋友！你有没有想过那些超酷的自动化设备，像机器人灵活的手臂、精密机床精准的切割，是什么在背后默默支撑着它们如此精确地运行呢？没错，这就不得不提到伺服电机这个厉害的家伙了。
伺服电机啊，就像是一个超级听话的小助手。
它的作用可真是太广泛了，简直是现代工业的一颗明星。
在制造业里，它可是大功臣。
比如说在汽车制造车间，那些焊接机器人的手臂能够准确无误地把一个个零件焊接在一起，这可全靠伺服电机精确地控制着手臂的运动方向和力度。
要是没有伺服电机，那焊接出来的汽车恐怕就成了一堆歪歪扭扭的废铁，那场面可真是惨不忍睹啊！再看看我们的3D打印机，这可是个神奇的玩意儿。
它能够把我们设计好的三维模型一点一点地打印出来，从一个小小的模型到一个复杂的工艺品，都不在话下。
伺服电机在这其中就像一个细致的工匠，精确地控制着打印喷头的位置，让每一层的材料都能准确地堆积在该在的地方。
如果把3D打印过程比作盖房子，那伺服电机就是那个拿着精密仪器，准确测量每一块砖头位置的老师傅，少了它，这房子可就盖得乱七八糟了。
那伺服电机到底是怎么做到这么精确的呢？这就不得不说说它的工作原理了。
伺服电机其实是一个系统，它由电机、编码器、驱动器等部分组成。
这就好比一个乐队，每个部分都是一个乐手，少了谁都不行。
先说说电机吧，这是伺服电机的动力来源，就像乐队里的鼓手，提供着最基本的节奏和动力。
电机有直流伺服电机和交流伺服电机两种类型。
直流伺服电机就像是一个直来直往的硬汉，力量大，速度控制起来也比较容易。
而交流伺服电机呢，就像是一个灵活的舞者，结构简单、运行可靠，在很多场合都备受青睐。
接着就是编码器了，这个可太重要了。
编码器就像是一个超级精确的侦察兵，它时刻都在观察着电机的运转情况，电机转了多少圈，转到什么位置了，它都一清二楚。
然后把这些信息反馈给驱动器。
你想啊，如果没有这个侦察兵，电机就像一个没头的苍蝇，不知道自己转得对不对，那整个系统不就乱套了吗？驱动器呢，它就像是乐队的指挥家。
工业机器人技术 工业机器人的伺服系统
p
1
2
3
4
5
6
n(r/min) 3000 1500 1000 750 600 500
2. 旋转方向
由上面2种连接方式分析看出：转子的旋转方向 取决于定子绕组的相序，任意对调两根电源线，定 子绕组的相序发生变化，转子旋转方向反转。
知识准备
三、交流伺服电机的结构
（一） 电机结构
1. 检测元件：有旋转变压器、SFD换向 编码器、绝对正弦 编码器等形式。 2. 制动装置（选装）。 3. 压铸铝端盖。 4. 可旋转金属连接器。 5. 壳体。 6. 钕铁硼磁铁。 7. 安装孔。 8. 氟橡胶轴封。 9. 输出轴：可选轴输出、孔输出、齿轮 输出等结构形式。 10. 轴承卡簧：限制轴承外圈的轴向位 置。
知识准备
二、交流永磁同步电机工作原理
（三）转速和旋转方向
1.转速
交流永磁同步电机转子的转速等 于旋转磁场的转速：
n 60 f (rpm) sp
式中：f——电源频率； p——定子磁极对数。
即：磁场的转速与电源频率成正比， 与定子的磁极对数成反比。
对于f=50三相交流电，不同磁极对数的转子转速如下：
能使用于1:1000～10000的调速范围。 5）体积小，质量小，轴向尺寸短。 6）能够适应苛刻的运行条件。
能够进行频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内过 载。
知识准备
一、伺服系统概述
2. 机器人伺服电机控制原理
电机伺服系统的结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位 置环。
PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中 常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。 PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加 超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
机器人关节力矩伺服电机四象限驱动系统数学模型设计与验证
机器人关节力矩伺服电机四象限驱动系统数学模型设计与验证作者：李文娴来源：《山东青年》2014年第06期摘要：本文主要内容是设计出了一款用于机器人关节力矩控制的基于直流伺服电机的四象限驱动系统。
采用基于TMS320F28332的核心控制板电路、OCL功率放大电路的直流电机的驱动单元和霍尔电流检测单元，构建了硬件控制系统模型，通过对冯哈伯（faulhaber）微电机110 mNm型伺服直流电机的数字模型分析，在MATLABSIMULINK环境下进行了PID数字调节的电机驱动模型的验证，并进一步真实硬件平台上测试了伺服电机四象限驱动数学模型的正确性。
关键词：关节力矩；四象限驱动；数学模型1、引言随着机器人在世界各行各业的应用不断增长，人们越来越重视对机器人控制领域技术的研究，而机器人关节控制作为整个控制系统核心组成的基础技术—关节力矩驱动技术也成为科研人员研究的热点。
而由关节驱动器、运动控制器和运动执行器组成的机器人关节控制系统，对机器人的移动性来说相当重要。
因而十分有必要研究机器人的关节伺服控制系统，这将对机器人的广泛应用及国家的经济转型产生很大的影响。
作为机器人关节控制系统的重要组成部分之一的关节伺服驱动系统,其设计的合理与否直接关系到机器人关节的整体运动性能,因此本文着重设计研究了机器人关节力矩控制的驱动系统［1］。
直流伺服电机的控制方便，而且其控制精度高、速度高、动态响应好，可以广泛地应用于工业领域、民用场合、国防军工等等众多领域。
伴随着电子信息技术的发展，直流伺服电机的控制策略和方式正在由传统电路复杂、调试困难的硬件系统控制方式转向控制相对灵活、硬件设计简洁的数字控制方式。
电机四象限驱动技术随着科技的不断发展，在机器人领域也正逐步加速应用。
目前较为典型的应用是机车牵引、油田磕头机、工业离心机、井式电梯等具有位势负载环境中［2］［3］。
随着电子信息技术、工业控制理论等学科的迅猛发展，直流电机的数字调速技术也取得了显著的进步。
伺服控制技术在机器人应用中的研究
伺服控制技术在机器人应用中的研究近年来，随着机器人技术的飞速发展，越来越多的伺服控制技术被应用于机器人中，提高了机器人的性能和可靠性。
伺服控制技术是一种能够控制系统运动的技术，它主要通过控制电机来实现对机器人的控制，包括速度、位置和力矩的控制等。
机器人是一种多学科交叉的复杂系统，其发展需要多学科的支持，包括机械工程、计算机科学、控制工程等。
伺服控制技术在机器人应用中的研究，也涉及到多个学科。
机器人的运动控制是机器人技术中关键的一环，伺服控制技术是实现机器人运动控制的基础。
伺服控制技术主要涉及到电路、传感器和控制算法等方面，其中控制算法的优化是提高机器人性能的关键。
目前，伺服控制技术在机器人应用中主要有以下几方面的研究：1. 位置控制机器人的位置控制是指对机器人进行空间位置控制，主要涉及到位置、速度和加速度等控制参数。
在位置控制中，控制算法主要包括PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。
2. 跟踪控制机器人跟踪控制是指机器人对其目标进行跟踪，主要涉及到如何跟踪目标、跟踪精度和跟踪速度等控制参数。
在跟踪控制中，控制算法主要包括前馈控制算法、自适应控制算法和基于视觉跟踪的控制算法等。
3. 动力学控制机器人动力学控制是指机器人在运动中所受到的物理力学作用的控制，主要涉及到机器人速度、加速度和动量等。
在动力学控制中，控制算法主要包括基于运动学的控制算法、反馈控制算法和反演控制算法等。
4. 非线性控制机器人在运动中会受到很多的不确定因素的影响，因此非线性控制技术被广泛研究和应用。
非线性控制算法包括迭代控制算法、自适应控制算法和模糊控制算法等。
综上所述，伺服控制技术在机器人应用中的研究是非常重要的，主要涵盖了机器人的位置控制、跟踪控制、动力学控制和非线性控制等方面。
采用伺服控制技术可以提高机器人的精度、速度和可靠性等性能指标，使机器人的智能化和自主化水平不断提高。
预计伺服控制技术在机器人领域中的应用将不断拓展和深化，为人类创造更大的价值。
伺服系统的结构和原理
伺服系统的结构和原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊伺服系统这个神奇的玩意儿。
你看啊，伺服系统就像是一个特别厉害的小团队。
这个团队里有几个关键角色呢，首先就是控制器，这就好比是团队的大脑，指挥着一切行动。
它可机灵了，能精准地发出各种指令。
然后呢，还有伺服电机，这可是团队里的大力士呀！只要控制器一声令下，它就立马行动起来，劲头十足，而且动作那叫一个迅速、准确。
再有就是传感器啦，它就像是团队里的眼睛和耳朵，时刻留意着周围的情况，然后把信息反馈给控制器，让整个系统能随时了解状况并做出调整。
那这伺服系统到底是咋工作的呢？就好像你要去一个地方，控制器就像是你的导航，给你规划好路线，告诉你往哪儿走。
伺服电机呢，就是你的腿，带着你按照导航的指示大步向前。
传感器呢，就是你的眼睛，帮你看着路，遇到啥情况赶紧告诉导航，好让导航调整路线。
你想想，要是没有这个小团队紧密配合，那会是啥样？那不就乱套啦！比如说，控制器指挥错了，那伺服电机可就跑错地方啦；要是传感器不灵敏，那可能就会碰到啥东西都不知道呢。
咱生活中好多地方都有伺服系统的身影呢！像那些自动化的生产线，机器人啥的，都靠它才能那么精准、高效地工作呀。
它就像是一个默默奉献的小英雄，虽然咱平时可能不太注意到它，但它却一直在背后发挥着大作用呢。
你说这伺服系统神奇不神奇？它就像是一个魔法盒子，里面装着各种奇妙的技术和智慧。
它能让机器变得像人一样灵活、聪明，这可不是一般的厉害呀！
所以啊，可别小看了这伺服系统，它可是现代科技中不可或缺的一部分呢！它让我们的生活变得更加便捷、高效，让那些看似不可能的事情都变成了现实。
怎么样，是不是对这小小的伺服系统刮目相看啦？。
第九讲(2) 机器人关节伺服驱动技术
K f if
式中：K f
——常数，
if
为磁场励磁电流
由电动机产生的转矩 TM 正比于电枢电流 和气隙磁通的乘积，即
TM K1K f i f ia
式中： 1 ——常数 K
ia 是电枢电流
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
实例：直流伺服系统
在电枢控制的直流电动机中，励磁电 流为常数，故上式可写成：
直流电机的基本调速方式有三种: 1、调节电阻Ra、 2、调节电枢电压Ua 3、调节磁通Φ 的值。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性
n n0
n
T
T
电机转速与理想转速的差Δ n，反 映了电机机械特性硬度，Δ n越小（转 矩对转速变化的影响程度越小），机械 特性越硬。
调节电枢电压时，直流电机机械特性为一组平行 线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的 主要内容 机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统 电机的调速
n
如果Δ n值较大，不可 能实现宽范围的调速。 n
永磁式直流伺服电机 n 的Δ n值较小，因此， 进给系统常采用永磁式 直流电机。
Δn
0N
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
两种变频调速方式
自控式： 变频装置与电机非独立，变频装置的 输出频率是依据电动机轴上所带的转子位 置决定。组成电源频率自动跟踪转子位置 的闭环系统。 由于同步电机供电频率受转子位置的 控制即定子磁场转速与转子转速相等，始 终保持同步，因此不会出现转子振荡和失 步的隐患。
周期不变 周期不变
ωt
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
工业机器人电动伺服驱动系统
工业机器人电动伺服驱动系统机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。
对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。
特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。
这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。
机器人对关节驱动电机的主要要求规纳如下：1）快速性。
电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。
响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。
2）起动转矩惯量比大。
在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。
3）控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。
4）调速范围宽。
能使用于1：1000～10000的调速范围。
5）体积小、质量小、轴向尺寸短。
6）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。
所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。
其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机（DD）均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。
步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。
交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。
机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1～10kW。
关于仿人机器人关节驱动微型伺服系统的介绍
摘要：用于仿人机器人关节驱动的微型伺服系统日前完全依赖进口。
基于分析微型伺服系统各部件的发展现状与技术特点，研制了一款适用于仿人机器人关节驱动的国产倒服系统，包括永磁无刷伺服电机、巨磁阻编码器、高功率密度驱动模块以及通讯单元。
通过与周内仿人机器人研究单位常用的几款进口伺服系统进行对比，验证所研制的微型伺服系统满足仿人机器人关节驱动对功率密度比等性能指标的要求．可完全代替进口产品。
关键词：仿人机器人；关节驱动；微型伺服系统，永磁同步电动机1 引言2000年，日本本田公司发布的仿人机器人AsIMO吸引了全世界的目光。
过去10年里，得益于计算机、电气工程、材料工程、传感器科学等相关学科的发展，仿人机器人技术也有了长足的发展。
其中较为突出的有日本本田公司、美国麻省理工大学、俄亥俄州立大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等。
仿人机器人由控制系统、关节伺服系统、传感器系统、能源系统和本体结构5部分组成。
关节伺服系统按驱动方式可以分为液压伺服、气动伺服、电机伺服、压电伺服等。
这几种系统中，液压伺服抗污染能力差、调试维护困难、瞬间过载能力低；气动伺服非线性程度高、定位刚度小；电机伺服通常需要减速机构，使其体积增大；压电伺服一般不需要减速机构，易于实现微型化，但其驱动电路复杂，多用于微型机器人或仿人机器人的手指关节。
比较几种伺服系统的优缺点，电机伺服系统，尤其是旋转电机伺服系统由于技术成熟、可靠性高、刚度强、较易驱动，是目前仿人机器人关节伺服系统的首选。
在仿人机器人中，由于使用电池供电，供电电压低、功率／能量密度受限，且机器人的体积、重量均有严格的要求，所以仿人机器人关节中使用的电机伺服系统有其特殊的要求。
例如低工作电压而且变化范围大、低损耗、高功率密度、重景轻、单一电源供电、高动态性能、高可靠性等等。
本文围绕仿人机器人对关节驱动的要求特点，详细介绍目前广泛应用的关节电机伺服系统的组成、类别、性能特点等。
在此基础上研制了一台国产微型伺服系统，通过与国外同类伺服系统的对比研究，结果表明所研制的微型系统满足仿人机器人关节驱动的性能要求，可取代进口产品。
伺服系统的应用和控制原理
伺服系统的应用和控制原理1. 什么是伺服系统伺服系统是一种用于控制和调节运动的系统，它包括伺服驱动器、伺服电机和控制器。
伺服系统通常应用于需要精确控制位置、速度或力的场合，例如机床、机器人、自动化生产线等。
伺服系统的核心原理是通过对驱动器和电机的控制，使得输出的位置、速度等达到预设的目标值。
2. 伺服系统的应用伺服系统具有广泛的应用领域，下面列举几个常见的应用场景：•CNC机床：伺服系统在数控机床中扮演着重要的角色，通过控制伺服电机的运动，实现工件在各个坐标轴上的精确定位和加工。
•机器人：伺服系统是机器人关节控制的核心。
通过控制伺服驱动器和电机，实现机器人关节的运动和姿态控制，从而完成各种复杂的任务。
•自动化生产线：伺服系统在自动化生产线中被广泛应用，可以实现产品输送、定位、装配等工序的高精度控制。
•医疗设备：伺服系统在医疗设备中的应用也非常普遍，例如医疗机器人、手术机器人等，可以实现精确的手术操作和治疗。
3. 伺服系统的控制原理伺服系统的控制原理主要包括如下几个方面：•位置反馈：伺服系统通过测量被控对象的位置，将其与目标位置进行比较，得到位置误差信号。
常用的位置反馈元件包括编码器和光栅尺等。
•控制器：控制器根据位置误差信号进行运算，并输出相应的控制信号，驱动伺服电机实现位置调节。
常见的控制器包括PID控制器、模糊控制器等。
•驱动器：驱动器是将控制信号转化为电机驱动信号的装置。
它通常包括功率放大器和电机驱动电路。
•电机：伺服电机是伺服系统的最终执行单元，根据驱动信号控制转子运动，从而实现位置、速度或力的调节。
4. 伺服系统的特点伺服系统具有以下几个特点：•高精度：伺服系统能够实现很高的位置、速度和力控制精度，通常能够达到亚微米级的精度。
•高稳定性：伺服系统采用闭环控制，能够抑制干扰和系统不稳定带来的问题，具有良好的稳定性。
•快速响应：伺服系统的响应速度快，能够在很短的时间内调节到目标状态。
•多轴同步：伺服系统可以同时控制多个轴，实现复杂的运动和协调控制。
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ωt
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PWM调速控制系统
U Ia
+
晶体管基极控制电压
U T Ton
主要内容
Ea Ea VD Ua
t t t
M
Ia
-
直流电机电压的平均值: U a
1 T
T
0பைடு நூலகம்
Ton Ea Ea T
T—脉冲周期，
Ton—导通时间
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直流伺服电机速度控制单元的作用： 将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到 主要内容 速度调节的目的。 直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 1.晶闸管（可控硅）调速系统 2、晶体管线性放大器调速系统 3、晶体管开关放大器---脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated）调速系统。
第五章
机器人关节伺服驱动技术
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5.1 直流电机伺服系统
一、直流电机原理
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直流电机的励磁方式
电枢：产生电磁力的部件，如直流电机的 转子。 励磁：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。
他励
并励
串励
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Uf
Ua
Ua
Ua
Ea
等 Ea 效 图
电磁转矩：
感应电势与转速关系
Tm KT I a
Ea KE n
a
（ 一定）
电枢电压平衡方程式： U
Ea I a Ra
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三、直流伺服电机的调速原理与方法 由上述关系式可得：
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT
二. 机械系统的转矩平衡方程
d Te T2 T0 J dt
J ---- 转子惯量
Te
——电磁转矩 ——负载转矩
T2
T0
如果电动机以恒 角速度转动，则 ：
——空载损耗转矩
d J 0 dt
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电磁转矩TM
伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用， 因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：
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5.2.1同步电机调速系统
给同步电动机三相对称绕组通入三相对称电 流会在气隙中产生一旋转磁场，旋转磁场的同步 转速为 n0。 同步电机有转子磁场（保证恒定），转子可 以看成一块磁铁。两磁场的相同作用，驱动同步 电机旋转。 同步电机转速公式n=60f/np 调速方法：变极调速和变频调速。主要方式是 变频调速。
TM KT ia
式中：KT ——电动机的转矩常数
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实例：直流伺服系统
由控制输入电压 ei (t ) 开始，系统的因果方 程为: dia Ra ia ei eb 1.电枢电压方程： La dt TM KT ia 2.电动机转矩
3.转矩平衡方程
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实例：直流伺服系统
当负载转矩 TN (s) 0 其传递函数是:
0 ( s ) KT G( s) Ei ( s) s[( La s Ra )( Js B) KT Kb
TN (s)
Ei ( s)
Eb (s)
1 La s Ra
PWM调速控制系统
利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转 换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢 主要内容 上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均 电压，从而调节电机的转速。 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。
U
脉宽 脉宽
脉宽 脉宽
平均直流电压
双极式H型PWM变换器原理图：
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双极式PWM变换器电压电流波形图
基极控制： b1，b4 B3，b4
电机电压： Uab 电机电流：
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单极式PWM变换器电压电流波形图
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运动控制卡实现
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5.2.2 异步型交流伺服系统
特点： 结构简单、价格便宜、过载能力强。但效 率低、体积大，调速控制复杂。 1972年德国人发明矢量控制技术。 在数控机床和机器人控制中还很少采用。 多用于机床的主轴调速。
电机
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晶闸管（可控硅）调速系统包括：
速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。
控制 回路 电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移 或后移。 主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
脉宽调制（PWM）系统组成：
三相交流电 主要内容
振荡器
整流
速 度 指 令
U△
速度 调节器
电流 调节器
Usr
脉宽 调制
USC
基极 驱动
Ub
M 功 放
电流反馈 速度反馈
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实现电路
控制回路
主回路
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控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率 振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基 极驱动电路。 脉宽调制器 作用：将电压量转换成可由控制信号调节的 矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个 宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。 组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两 种）和比较放大器。
调节电枢电压时，直流电机机械特性为一组平行 线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的 主要内容 机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统 电机的调速
n
如果Δ n值较大，不可 能实现宽范围的调速。 n
永磁式直流伺服电机 n 的Δ n值较小，因此， 进给系统常采用永磁式 直流电机。
Δn
0N
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电枢电阻调速
电枢电阻调速很少采用，缺点： 不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能； 低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差， 操作费力。 n主要内容 n0 R0 R1 R2 T
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调压调速
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晶体管线性放大器调速系统
特点： 功率晶体管工作在线性区，晶体管功耗 大，特别在低速大转矩情况下，电动机的 反电动势小而电流大，大量的有功功率消 耗在输出晶体管上。 在宽频带、低功率（小于几百瓦）系统 中多选用线性放大器。
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I a ( s)
KT
TM (s)
1 s( Js B)
0 (s)
Kb (s)
直流伺服电机的系统方框图
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7.3 直流伺服电机及其速度控制 三、直流伺服电机的调速原理与方法
If
If
Ia M
主要内容
Ia Ma U
Ra LaRa La
原 理 Uf 图
d 20 d0 J 2 B TM TN dt dt
4.电动机的反电动势正比于速度
d 0 eb K b dt
Kb
——反电动势常数
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实例：直流伺服系统
系统因果方程拉氏变换为:
( La s Ra ) I a ( s ) Ei ( s ) Eb ( s ) TM ( s ) KT I a ( s ) ( Js 2 Bs ) 0 ( s ) TN ( s ) Eb ( s ) K b s 0 ( s )
直流电机的基本方程式
1. 电气系统的电动平衡方程（并励）
感应电动势
U a 电枢电压
dia ua Gaf i f Raia La dt di f u f Rf if Lf dt ua u f u
I
Ia
电枢电流
M
励磁电流
If
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直流调节的PMSM调速系统
前半部与直流调速相似
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伺服的构成及其要素
• 伺服电机：
电机动力输入插头 反馈插头 散热器 安装法兰 光电编码器 电机输出轴
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晶闸管（可控硅）调速系统 晶闸管不具有自动关断能力，控制复杂， 多用于大功率及要求不很高的直流伺服电机 主要内容 调速控制。
U*n US
+
I*n 主要内容 速度 调节器 + In
电流 调节器 -
触发脉冲 发生器
电流反馈 速度反馈
可控硅
Un
电流检测 编码器
N
0N
N