《机器人学》
ROBOT COMING
任课老师：蒋志宏、李辉
机电学院智能机器人研究所 2014年-2015年
《机器人学》
第五章：机器人伺服驱动
5.1 伺服驱动控制原则和方法 5.2 伺服驱动控制
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 伺服电机运动与驱动控制原理 伺服驱动电路设计 伺服驱动多环路控制器设计 伺服驱动系统测试与指标
20世纪90年代是伺服驱动技术实现全数字解）
5.1 伺服驱动控制原则和方法 3、伺服驱动器种类
电机伺服驱动器（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
动电机，还有步进电机等。）
液压伺服驱动器
5.1 伺服驱动控制原则和方法 2、伺服驱动简介
伺服驱动技术作为数控机床、（工业）机器人及其它机 械控制的关键技术之一；
20世纪最后10年间，微处理器(特别是DS础。 20世纪80年代是交流伺服技术取代直流伺服技术；
调节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； 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，自动 控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
5.2 伺服驱动控制
数字电路产生PWM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。
Period Register Set Ts Ts Value of Timer Register PWM Signal
5.2 伺服驱动控制 模拟电路PWM发生步骤
第一步：通过电阻R和电容C设定开关周期Ts（开关频率f ＝1/Ts）； 第二步：通过振荡器产生载波，即图中锯齿波/三角波； 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；
第四步：比较器比较的结果产生PWM信号。
*
*
*
Value of Compare Register
、信息及智能技术等等。
5.1 伺服驱动控制原则和方法 5、伺服驱动控制拓扑
Pos_Ref + Spd_Ref PID + T_Ref PID +
Pos_Fb
Spd_Fb
T_Fb
PID
PWM
H桥
电流传感器 位置传感器 位置传感器
MOTOR
1/N
N-减速器比
伺服电机多环路控制拓扑
5.1 伺服驱动控制原则和方法 6、直流伺服电机的驱动原理
模拟电路产生PWM原理
数字电路产生PWM原理
5.2 伺服驱动控制
模拟电路产生PWM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 没有限制。模拟电路产生PWM信号的一般原理如图所示。
Ts Vs
载波
比较器 PWM信号
oscillator
Vc
调制波
Vs Vc
R
C
图 模拟电路产生PWM信号原理示意图
5.1 伺服驱动控制原则和方法 8、直流电机位置伺服控制原理
1 m (s) K bTa Tm 1 1 1 U a (s) ns 2 s s Ta Ta Tm
*
+
PID
* +
I*
+ PID H桥

PID
I

5.2 伺服驱动控制
脉宽调制（PWM）技术
内容：
脉宽调制（PWM）定义及PWM信号发生原理； 占空比的含义。
Ud
Rd
Ld
Ue
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。
5.1 伺服驱动控制原则和方法 6、直流伺服电机的驱动原理
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 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 续在磁场中运转。
冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM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，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，既可改变电路输出电
压的大小，也可改变输出频率。
5.2 伺服驱动控制
2、PWM信号发生原理
5.1 伺服驱动控制原则和方法 1、伺服驱动定义
伺服驱动器在机器人中的作用相当于人体的 肌肉：如果把连杆和关节想象为机器人的骨 骼，那么伺服驱动器就起到人体肌肉作用。 伺服驱动器（Servo Drives）又称“伺服控制 器/放大器”，是用来控制伺服电机的一种控 制器，主要应用于高精度定位系统。一般通 过位置、速度和力矩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；
要求：
掌握PWM的发生原理，理解占空比的含义。
5.2 伺服驱动控制
1、脉宽调制（PWM）技术介绍
脉宽调制（ PWM：Pulse-Width Modulation）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;
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
5.1 伺服驱动控制原则和方法 7、直流伺服电机的调速原理
直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系：
U-IR n= KeΦ
n－转速 （r／min）； 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 伺服驱动控制原则和方法 7、直流伺服电机的调速原理
气动伺服驱动器
记忆金属伺服驱动器
压电陶瓷伺服驱动器（致伸缩驱动器）
5.1 伺服驱动控制原则和方法 4、伺服驱动系统组成
控制 指令 DSP PWM PWM 多环路控制器 驱动 功率放大 执行机构 电机 传 动 机 构
输出
检测 电流 转速
ENC 位置
涉及学科：电路原理、模电数电、电力电子、控制技术