机器人学基础第7章

7. 2 伺服电动机驱动控制原理
可以推导出双极式PWM 控制H 桥变换器输出平均电压 为:
式中d 为占空比。 电动机调速时, d 的可调范围为[0, 1]。由式(7 - 2) 可知,
当d > 1 /2 时, 施加在电动机电枢上的平均电压>0, 电动 机正转; 当d <1 /2 时, 施加在电动机电枢上的平均电压 <0, 电动机反转; 当d = 1 /2 时, 施加在电动机电枢上的平 均电压为0, 电动机停转。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
电动机是将电能转换为磁场并将其转换为机械能输出的 一种装置, 其基本构成是磁铁、线圈及机构等, 其工作原 理是基于电流的磁效应。由电流磁效应可知, 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 力作用而运动, 其受力方向可根据左手定则进行判断。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
3. 直流伺服电动机H 桥PWM 调压驱动控制原理 直流伺服电动机电枢两端电压的大小和极性由一定的功
率变换器进行控制。驱动控制分为双极式和单极式两种: 双极性控制具有正反转动态响应性能好的优点, 但存在 损耗高的缺点; 单极性控制具有正反转动态响应性不高 的缺点, 但效率相对较高。本章着重分析最常用的基于 H 桥的双极式PWM 驱动控制方式。
7. 1 机器人关节伺服系统组成
7. 1. 3 关节电动机驱动控制器
驱动控制器是机器人关节伺服系统的核心运算和能量控 制单元, 作用是给电动机提供一定规律的电能, 对电动 机的位置、速度、力矩等进行控制, 实现机器人关节跟 随输入指令进行伺服运动。电动机驱动控制器包含两个 部分: 功率驱动单元和算法控制单元。
7. 1 机器人关节伺服系统组成
7. 1. 2 机器人关节信号检测
机器人关节信号检测主要包括关节侧位置和速度、电动 机侧位置和速度、电动机电流及关节扭矩等信号的检测。 目前, 机器人关节侧位置检测主要通过光电或磁的绝对 码盘、旋转变压器以及电位计等, 电动机侧位置检测主 要通过光电或磁的增量及绝对码盘、旋转变压器以及电 位计等。机器人关节侧和电动机侧的速度检测可以通过 位置差分来获得。电动机电流可以通过霍尔传感器或电 阻转换为电压来检测, 实现电动机的电流环控制, 即力 矩输出控制。关节扭矩可以通过基于应变片原理的扭矩 传感器进行检测, 实现关节输出扭矩控制。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
机器人关节直流伺服电动机基于多环路PID 控制的PWM 驱动原理如图所示
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
7. 2. 2 无刷直流电动机(BLDCM) 驱动 控制原理
7. 1 机器人关节伺服系统组成
机器人关节是机器人运动的动力源, 主要包括电动机、 减速器、传感器及机构等, 通过关节伺服驱动控制器,实 现机器人系统行为控制。
7. 1 机器人关节伺服系统组成
通过关节伺服驱动控制器,实现机器人系统行为控制。
7. 1 机器人关节伺服系统组成
机器人关节伺服驱动控制器的主要功能是实现位置、速 度、电流多环路闭环控制, 通过功率放大, 驱动电动机 实现关节伺服运动控制。信号检测主要有位置传感器、 电流传感器和扭矩传感器等, 实现位置、速度、电流、 力矩信号检测并进行闭环控制。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
如图所示, 在一个PWM 周期内, 在ton时间内, 电流沿Loop1 流 通, 电枢电压UM = Us; 在死区时间内, 左右桥臂开关器件实现 电流转换, 电流沿Loop2 流通; 在toff时间内, 电流沿Loop3 流通 , 电枢电压UM = - Us; 在死区时间内, 左右桥臂开关器件实现 电流转换, 电流沿Loop4 流通。因此, UM 在一个周期内具有 正负相间的脉冲波形,这就是双极式名称的由来。
7. 2 伺服电动机驱动控原理
PWM 技术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。在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环节的 被控系统时, 其效果基本相同。PWM 技术基于对开关器 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, 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。
电动机驱动控制器的功率驱动单元, 目前典型有H 桥和 3 相桥两种功率驱动器拓扑。
7. 1 机器人关节伺服系统组成
H 桥拓扑主要用于直流电动机功率驱动, 3 相桥拓扑主要 用于直流无刷电动机和永磁同步电动机功率驱动。电动 机驱动控制器的算法控制单元, 主要功能是实现电动机 位置、转速和电流多环路闭环控制, 目前用于机器人关 节电动机算法控制单元的硬件, 主要有单片机、DSP、 FPGA 等嵌入式微处理器。其中, 美国德州仪器公司专门 针对电动机驱动控制, 定制了TMS320F2 × × × 系列 DSP 控制器, 不仅计算性能强大, 更重要的是具备电动机 控制专用的功能模块和硬件引脚设计, 而且具有典型的 电动机驱动控制范例, 推动了电动机数字化控制技术的 发展。
当通电线圈越过平衡位置后, 由于通电线圈的供电电流 的方向没有及时改变, 那么线圈在转过一圈之前就会反 向运动, 即顺时针运动。如果加入电刷和换向器, 以及时 改变线圈的供电电流方向, 就可以保证通电线圈在磁场 中向着一个方向连续运转, 这就是电动机的基本工作原 理。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
以PWM 信号控制H 桥功率变换器说明直流电动机双极 性驱动原理。PWM1 ~4 信号控制Vgs1, Vgs2, Vgs3, Vgs4信号 电压从而控制四个开关管的导通和关断时间, H 桥变换 器的驱动电压关系是Vgs1 = Vgs4 = - Vgs2 = - Vgs3, 并且同一 桥臂上下桥臂开关器件的PWM 信号间设置必要的死区 时间。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
H 桥是一种功率变换器拓扑, 如图所示。H 桥变换器有 4 个功率开关器件按照一定规律组合而成, 其形状如H 得名。按照一定规律控制H 桥功率变换器的4 个开关管 的通断,可以得到期望的电枢电压, 从而获得期望的速度 进行伺服运动。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
调节直流电动机的转速有三种方法: 调节电枢供电电压 、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻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, 电动机自动控制的直流调速系统往往以变压调 速为主。
7. 2. 1 直流伺服电动机驱动原理
1. 直流伺服电动机工作原理 如图为直流电动机的工作原理图。直流电动机由磁铁定
子、转子绕组、电刷和换向器等部分组成。定子用作磁 场, 通电转子绕组在定子磁场作用下, 得到转矩而旋转 起来。电刷与换向器及时改变转子绕组电流方向, 使转 子能连续旋转下去, 实现电动机正常旋转工作。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
电动机停止时电枢电压瞬时值并不等于零, 而是正负脉 宽相等的交变脉冲电压, 因而电流也是交变的。这个交 变电流的平均值为零, 不产生平均转矩, 但会增大电动机 的损耗, 这是双极式控制的缺点。电动机停止时仍有高 频微振电流, 从而消除了正、反向时的静摩擦死区, 起着 所谓“动力润滑” 的作用, 这是双极式控制的优点。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
PWM 实现电动机电枢电压控制的基本途径是通过占空 比(duty, d) 的变化来实现的。下图是一个占空比为10% 的PWM 信号, 即在信号周期中, 10%的时间通, 其余90% 的时间断。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
下图显示的分别是占空比为50%和90%的PWM 信号。
7. 1 机器人关节伺服系统组成
为了实现机器人关节大的力矩输出, 一般做法是采用齿 轮、谐波及RV 等减速器, 对伺服电动机进行降速以提 升力矩输出能力。同时, 也可以采用力矩电动机对机器 人关节进行直接驱动, 实现大力矩输出。伺服电动机多 用于高精度定位场合, 功率相对较小, 属于精密机械, 需 要闭环控制来实现驱动。力矩电动机多用于需要恒力矩 的应用场合, 并且功率也一般比较大。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
PWM 信号产生原理如图7. 6 所示。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
在微处理器中有相关的寄存器进行一定频率载波设计, PID 调节器会根据输入信号指令进行实时控制, 其输出 为调制波, 与预设的载波进行比较, 产生控制所需的一定 宽度一定频率的PWM 信号, 对上述H 桥进行控制, 实现 对输入指令的伺服。需要指出的是, PWM 信号的频率与 预设的载波频率是一致的, 如果预设的载波频率是变化 的, 那么输出的PWM 信号频率也是变化的, 即实现变频 控制, 但在机器人关节电动机伺服控制中,该频率一般是 固定不变的, 即恒频控制。
第7章 机器人关节伺服运动控制
7.1 机器人关节伺服系统组成 7.2 伺服电机驱动控制原理 7.3 关节伺服多环路控制器设计 7.4 应用实例 习题
第7章 机器人关节伺服运动控制
伺服系统也叫随动系统, 以精确运动控制和力矩输出为 目的, 综合运用机电能量变换与驱动控制、信号检测、 自动化计算机控制技术等, 实现执行机械对位置指令的 准确跟踪。机器人关节伺服驱动系统, 一般包括关节、 动力源(电动机、液压及气动等)、驱动控制器、信号检 测环节等部分。本章主要讲述动力源为电动机的机器人 关节伺服运动控制, 涉及电动机驱动及多环路PID 调节 器控制原理及控制范例。
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
7. 2 伺服电动机驱动控制原理
2. 直流伺服电动机调速原理 直流伺服电动机转速和状态量之间的关系满足如下关系
式:
式中n 表示转速(r/ min), U 表示转子绕组两端施加的电 压即电枢电压(V), I 表示转子绕组内通过的电流即电枢 电流(A), R 表示转子绕组内阻即电枢回路总电阻(Ω), Φ 表示励磁磁通(Wb), Ke 表示电动机结构决定的电动势常 数。
7. 1 机器人关节伺服系统组成
7. 1. 1 机器人关节伺服驱动电动机种类
用于机器人关节驱动的电动机, 主要包括步进电动机、 直流电动机、永磁同步电动机等, 其中, 永磁同步电动 机按其感应电动势波形的不同可分为两类: 梯形波时称 为永磁无刷直流电动机、正弦波时称为永磁同步电动机。 步进电动机控制简单, 但无法实现高精度闭环控制; 直 流电动机可以实现高精度闭环控制, 但由于存在电刷, 需要定期维护; 永磁直流无刷电动机和永磁同步电动机, 采用了电子换向取代了电刷, 而且功率密度比普通的直 流电动机高, 即体积更小、功率密度更大, 都可以实现 高精度闭环控制。同时, 由于永磁直流无刷电动机和永 磁同步电动机的感应电动势波形特点, 决定了永磁同步 电动机的调速性能较佳。
目前, 脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM) 是控制H 桥功率变换器的4 个开关管通断的具体方式, 即在4 个开 关管的驱动端Vgs1~4施加PWM1 ~4 信号控制开关管开通 或关断, 实现电动机电枢电压的控制, 对电动机进行伺服 控制。同时, H 桥变换器的对桥开关器件可以采用同一 个PWM 驱动信号, 比如开关器件S1 和S4 可以使用同一 路PWM 信号、S2和S3 可以使用同一路PWM 信号。但 是, 由于开关器件在开通或关断过程都存在过渡过程,为 了避免同一桥臂(S1 和S2 组成左桥臂、S3 和S4 组成右 桥臂) 出现短路导致故障, 组成同一桥臂的上下开关器件 的驱动信号PWM 间需要加入死区。