機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)

機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)第1頁/共103頁第五章：機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制5.2.1伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)控制原理5.2.2伺服驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5.2.3伺服驅(qū)動(dòng)多環(huán)路控制器設(shè)計(jì)5.2.4伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試與指標(biāo)《機(jī)器人學(xué)》第2頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉：如果把連桿和關(guān)節(jié)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。伺服驅(qū)動(dòng)器（ServoDrives）又稱“伺服控制器/放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，主要應(yīng)用于高精度定位系統(tǒng)。一般通過位置、速度和力矩三種方式對(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；1、伺服驅(qū)動(dòng)定義第3頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、（工業(yè)）機(jī)器人及其它機(jī)械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一；20世紀(jì)最后10年間，微處理器(特別是DSP)技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代是交流伺服技術(shù)取代直流伺服技術(shù)；20世紀(jì)90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10年。（百度搜詞條“伺服驅(qū)動(dòng)器”和“伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”了解）2、伺服驅(qū)動(dòng)簡介第4頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器（交直流伺服電機(jī)：直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還有步進(jìn)電機(jī)等。）液壓伺服驅(qū)動(dòng)器氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器記憶金屬伺服驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷伺服驅(qū)動(dòng)器（致伸縮驅(qū)動(dòng)器）3、伺服驅(qū)動(dòng)器種類第5頁/共103頁4、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伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法第6頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法5、伺服驅(qū)動(dòng)控制拓?fù)渌欧姍C(jī)多環(huán)路控制拓?fù)涞?頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法6、直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理電流磁效應(yīng)可知，通電導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，從而使得通電導(dǎo)體在磁場中受到安培力作用。第8頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法6、直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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。換向器和電刷的目的就是改變線圈的供電電流方向。這樣線圈就能連續(xù)在磁場中運(yùn)轉(zhuǎn)。第9頁/共103頁直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系：n－轉(zhuǎn)速（r／min）；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)勢常數(shù)。5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法7、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理第10頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法7、直流伺服電機(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：調(diào)節(jié)電樞供電電壓；減弱勵(lì)磁磁通；改變電樞回路電阻R。

對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，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)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。第11頁/共103頁5.1伺服驅(qū)動(dòng)控制原則和方法8、直流電機(jī)位置伺服控制原理第12頁/共103頁脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)內(nèi)容：脈寬調(diào)制（PWM）定義及PWM信號(hào)發(fā)生原理；占空比的含義。要求：掌握PWM的發(fā)生原理，理解占空比的含義。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第13頁/共103頁1、脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)介紹

脈寬調(diào)制（PWM：Pulse-WidthModulation）是利用一種數(shù)字信號(hào)來對(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)用在功率控制與變換、測量和通信等領(lǐng)域中;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加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM對(duì)開關(guān)器件的導(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不相等的脈沖，用這些脈沖來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，既可改變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第14頁/共103頁2、PWM信號(hào)發(fā)生原理

模擬電路產(chǎn)生PWM原理數(shù)字電路產(chǎn)生PWM原理5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第15頁/共103頁模擬電路產(chǎn)生PWM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沒有限制。模擬電路產(chǎn)生PWM信號(hào)的一般原理如圖所示。圖

模擬電路產(chǎn)生PWM信號(hào)原理示意圖5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第16頁/共103頁模擬電路PWM發(fā)生步驟

第一步：通過電阻R和電容C設(shè)定開關(guān)周期Ts（開關(guān)頻率f＝1/Ts）；第二步：通過振蕩器產(chǎn)生載波，即圖中鋸齒波/三角波；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)制波的值通過比較器進(jìn)行比較；第四步：比較器比較的結(jié)果產(chǎn)生PWM信號(hào)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第17頁/共103頁數(shù)字電路產(chǎn)生PWM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)是通過寄存器的設(shè)置來實(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伺服驅(qū)動(dòng)控制第18頁/共103頁數(shù)字PWM信號(hào)發(fā)生步驟第一步：通過周期寄存器（PeriodRegister）設(shè)定開關(guān)周期Ts（開關(guān)頻率f＝1/Ts）；（設(shè)計(jì)者設(shè)定）第二步：相應(yīng)的定時(shí)器（TimerRegister）開始計(jì)數(shù)產(chǎn)生圖3中的鋸齒波/三角波；（不需要設(shè)定，自動(dòng)計(jì)數(shù)）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（CompareRegister），然后，TimerRegister和CompareRegister的值進(jìn)行比較，比較的結(jié)果送往PWM發(fā)生電路；第四步：PWM發(fā)生電路根據(jù)比較的結(jié)果產(chǎn)生PWM信號(hào)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第19頁/共103頁3、脈寬調(diào)制基本原理

脈寬調(diào)制的基本原理是通過占空比的變化來實(shí)現(xiàn)能量、信號(hào)等的調(diào)節(jié)。下圖顯示了三種不同的PWM信號(hào)。圖（a）是一個(gè)占空比為10%的PWM信號(hào)，即在信號(hào)周期中，10％的時(shí)間通，其余90％的時(shí)間斷；圖（b）和圖（c）顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM信號(hào)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第20頁/共103頁（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伺服驅(qū)動(dòng)控制第21頁/共103頁占空比含義理解：BUCK變換器內(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：理解占空比的含義。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第22頁/共103頁1、Buck變換器拓?fù)渑c工作原理圖Buck變換器主電路拓?fù)?.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第23頁/共103頁2、BUCK變換器等效電路圖2SisON：等效電路

工作中輸入電流is，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，is>0,開關(guān)關(guān)閉時(shí)，is＝0。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3SisOFF：等效電路工作原理

開關(guān)S開通時(shí),如圖所示，電流is＝iL流過電感線圈L,電感電流線性增加，負(fù)載電阻R上流過電流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。開關(guān)S關(guān)斷時(shí)，電感中的磁場改變電壓極性，以維持電流iL。當(dāng)iL<Io時(shí)，電容處在放電狀態(tài)來維持Io、Vo，此時(shí)二極管D導(dǎo)通，為iL構(gòu)成回路，故稱為續(xù)流二極管。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第24頁/共103頁電感電流連續(xù)5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第25頁/共103頁Ts：開關(guān)周期D：導(dǎo)通時(shí)間占空比；ton：導(dǎo)通時(shí)間，ton

＝DTs；toff：關(guān)斷時(shí)間，toff

＝1－DTs；SisON：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流線性上升，其增量為：SisOFF：開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電流線性下降升，其增量為：（1）（2）3、輸入電壓與輸出電壓關(guān)系5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制

由于穩(wěn)態(tài)時(shí)這兩個(gè)變化量相等，即，所以有式（1）等于式（2）,可以得到：Vo＝VsD。第26頁/共103頁P(yáng)WM控制開關(guān)器件原理內(nèi)容：電力電子器件的發(fā)展；電力電子器件的基本工作原理；功率場效應(yīng)管（MOSFET）及驅(qū)動(dòng)。要求：理解開關(guān)管的開通和關(guān)斷過程。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第27頁/共103頁1、電力電子器件的發(fā)展

電力電子器件又稱開/關(guān)器件,相當(dāng)于信號(hào)電路中的A/D采樣,稱之為功率采樣;器件的工作過程就是能量過渡過程，實(shí)現(xiàn)電力電子器件開/關(guān)工作的是PWM。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第28頁/共103頁絕緣柵雙極晶體管:IGBT－InsulatedGateBipolarTransistor;MOS控制晶閘管:MCT－MOS-ControlledThyristor;集成門極換流晶閘管:IGCT－IntergratedGateCommutatedThyristors;電子注入增強(qiáng)柵晶體管:IEGT－InjectionEnhancedGateTransistor;集成電力電子模塊:IPEM－IntergratedPowerElactronicsModules；電力電子積木:PEBB－PowerElectricBuildingBlock。電力電子器件的主要發(fā)展成果

5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第29頁/共103頁2、電力電子器件基本工作原理一個(gè)理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性:在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，具有大電流和很低的壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第30頁/共103頁器件基本工作原理－PN結(jié)圖PN結(jié)的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)（a）結(jié)構(gòu)（b）電路符號(hào)5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第31頁/共103頁P(yáng)N結(jié)的工作原理（a）零偏置

此時(shí)，交界處兩邊的多子濃度差引起了兩邊的多子各自向?qū)Ψ絽^(qū)擴(kuò)散，致使PN結(jié)附近形成一個(gè)空間電荷區(qū)，形成了一個(gè)自建電場，其方向如圖（a）所示。該電場方向恰好起著阻礙多子擴(kuò)散的作用，直到建立動(dòng)平衡為止，空間電荷區(qū)也就擴(kuò)展到一定的寬度。這時(shí)通過空間電荷區(qū)的多子擴(kuò)散電流與在自建電場推動(dòng)下通過空間電荷區(qū)的少子漂流電流相等。因此，總體上看，沒有電流流過PN結(jié)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第32頁/共103頁（b）正偏置

此時(shí)，外加電場消弱了內(nèi)部電場，空間電荷區(qū)縮小了，因而也就消弱了自建電場對(duì)少子擴(kuò)散的阻礙作用，原來的動(dòng)平衡被破壞。這時(shí)P區(qū)的空穴不斷涌入N區(qū)，N區(qū)的電子不斷涌入P區(qū)，各自成為對(duì)方區(qū)域中的少數(shù)載流子。因此，有電流流過PN結(jié)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第33頁/共103頁基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)當(dāng)PN結(jié)通過正向大電流時(shí)，其上的電壓壓降只有0.7V左右。這是因?yàn)樵谕ㄟ^正向大電流時(shí)，注入基區(qū)（通常是N型材料）的空穴濃度大大超過原始N型基片的多子濃度，為了維持半導(dǎo)體中電中性條件，多子濃度也要相應(yīng)大幅度增加，這意味著，在大注入條件下原始基片的電阻率實(shí)際上大大地下降了，也就是電導(dǎo)率大大增加了，這就是所謂的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第34頁/共103頁（c）反向偏置圖PN結(jié)的工作原理5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制沒有電流流過PN結(jié),處于關(guān)斷狀態(tài)。第35頁/共103頁3、功率場效應(yīng)管（MOSFET）圖MOS類型（a）N型（b）P型高頻開關(guān)器件；具有正溫度特性，可以直接并聯(lián)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第36頁/共103頁MOS管的PWM驅(qū)動(dòng)圖MOS典型驅(qū)動(dòng)電路5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制PWM第37頁/共103頁圖PWM驅(qū)動(dòng)MOS典型波形5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第38頁/共103頁H橋?qū)崿F(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)：直流電機(jī)M兩端電壓的極性由開關(guān)器件的開和關(guān)狀態(tài)來定?？刂品绞接须p極式、單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制功率驅(qū)動(dòng)方式。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制5.2.1伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)控制原理PWM信號(hào)：Vgs1，Vgs2，Vgs3，Vgs4。第39頁/共103頁H橋變換器的驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系是：Vgs1=Vgs4=-Vgs2=-Vgs3；在周期內(nèi)，當(dāng)0≤t≤ton時(shí)，UM=Us，電流id沿Loop1流通；當(dāng)ton≤t≤Ts時(shí)，id沿Loop3流通，UM=-Us。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第40頁/共103頁

因此，UM在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第41頁/共103頁雙極式控制H橋變換器輸出平均電壓為：占空比d和電壓系數(shù)r關(guān)系：

r=2d-1調(diào)速時(shí)：d的可調(diào)范圍為0-1、r=-1-+1。當(dāng)d>1/2時(shí)，r為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)d<1/2時(shí)，r為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)d=1/2時(shí)，r=0，電動(dòng)機(jī)停止。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第42頁/共103頁電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，但會(huì)增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)；電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤滑”的作用，這是雙極式控制的優(yōu)點(diǎn)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第43頁/共103頁圖

伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第44頁/共103頁P(yáng)ID調(diào)節(jié)器問世至今已有近70年歷史；物理意義明確、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠而被廣泛用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中；被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制PID調(diào)節(jié)器第45頁/共103頁P(yáng)ID算法的原理及數(shù)字實(shí)現(xiàn)

PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：

1.技術(shù)成熟

2.易被人們熟悉和掌握

3.不需要建立數(shù)學(xué)模型

4.控制效果好

PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)輸入的偏差，按照PID的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果用以控制輸出。

PID調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：PID的函數(shù)中各項(xiàng)的物理意義清晰，調(diào)節(jié)靈活，便于程序化實(shí)現(xiàn)。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第46頁/共103頁P(yáng)ID是一種線性調(diào)節(jié)器。它根據(jù)控制輸入與實(shí)際輸出反饋的誤差(e=r-y)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

PID調(diào)節(jié)器對(duì)控制誤差進(jìn)行比例、積分和微分線性組合形成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。PID控制原理系統(tǒng)框圖5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第47頁/共103頁P(yáng)ID調(diào)節(jié)原理PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值Reference(K)與實(shí)際輸出值Feedback(K)構(gòu)成控制偏差：Error(K)=Reference(K)-Feedback(K)PID的控制規(guī)律為（離散形式）：KP比例系數(shù)；TI-積分時(shí)間常數(shù)；TD-微分時(shí)間常數(shù)5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第48頁/共103頁比例（P）調(diào)節(jié)器比例十積分（PI）調(diào)節(jié)器比例十微分（PD）調(diào)節(jié)器比例十積分十微分（PID）調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)表達(dá)：5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第49頁/共103頁比例調(diào)節(jié)器

比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：y=KPe(t)式中：y為調(diào)節(jié)器輸出；Kp為比例系數(shù)；e(t)為調(diào)節(jié)器輸入。

由上式可以看出比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。只要偏差出現(xiàn)，就能及時(shí)地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，使被控量朝著減小偏差的方向變化，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。但是，Kp過大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)器的特性曲線，如下圖所示。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第50頁/共103頁比例Kp階躍響應(yīng)特性曲線5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制PID調(diào)節(jié)器對(duì)誤差的比例響應(yīng)特性曲線：第51頁/共103頁積分調(diào)節(jié)器

積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用，其作用是消除穩(wěn)態(tài)靜差。積分方程為：式中：

TI是積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的大小，TI越大，積分速度越慢，積分作用越弱。積分作用的響應(yīng)特性曲線，如下圖所示。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第52頁/共103頁積分作用響應(yīng)曲線

由圖中曲線看出積分作用的特點(diǎn)：只要偏差不為零就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制量并依此影響被控量。增大Ti會(huì)減小積分作用，即減慢消除靜差的過程，減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制PID調(diào)節(jié)器對(duì)誤差的積分響應(yīng)特性曲線：第53頁/共103頁微分調(diào)節(jié)器

微分調(diào)節(jié)的作用是對(duì)偏差的變化進(jìn)行控制，并使偏差消失在萌芽狀態(tài)，其微分方程為：

微分作用響應(yīng)曲線如下圖所示。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第54頁/共103頁可見，微分分量對(duì)偏差的任何變化都會(huì)產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)輸出，阻止偏差變化。偏差變化越快，則產(chǎn)生的阻止作用越大。 從分析看出，微分作用的特點(diǎn)是：加入微分調(diào)節(jié)將有助于減小超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。他加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整的時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第55頁/共103頁積分時(shí)間TI小←→大積分作用強(qiáng)←→弱穩(wěn)定程度降低←→增強(qiáng)短期最大偏差小←→大被調(diào)量靜差消失上升時(shí)間短←→長振蕩周期小←→大微分時(shí)間TD大←→小微分作用強(qiáng)←→弱穩(wěn)定程度提高←→降低短期最大偏差小←→大被調(diào)量靜差小←→大上升時(shí)間短←→長振蕩周期小←→大表3TD對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量指標(biāo)的影響表2TI對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量指標(biāo)的影響5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制放大系數(shù)Kp小←→大穩(wěn)定程度增高←→降低穩(wěn)態(tài)偏差大←→小短期最大偏差大←→小過調(diào)量小←→大上升時(shí)間大←→小振蕩周期大←→小表1Kp對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量指標(biāo)的影響第56頁/共103頁位置式PID控制算法：式中，為控制量的基值，即k=0時(shí)的控制輸出；為第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制輸出；為控制系統(tǒng)采樣時(shí)間間隔。

數(shù)字PID算法的非遞推形式，稱全量算法。為了求和，必須將系統(tǒng)偏差的全部過去值e(k)（j=1，2，3，...，k）都存儲(chǔ)起來。這種算法得出控制量的全量輸出u(k)，是控制量的絕對(duì)數(shù)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，例如在閥門控制中，這種算法的輸出對(duì)應(yīng)了閥門的位置。所以，將這種算法稱為“位置算法”。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第57頁/共103頁增量式PID控制算法：當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量時(shí)，需要用PID的“增量算法”，即增量式PID控制器。在機(jī)器人控制中一般都采用增量式PID控制器5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第58頁/共103頁增量式PID算法

從式已看不出是PID的表達(dá)式了，也看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對(duì)控制作用的影響。從式可以看出，數(shù)字增量式PID算法，只要利用最近的三個(gè)誤差采樣值就可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制了。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制偏差信號(hào)Δe輸出信號(hào)ΔuPID調(diào)節(jié)器第59頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制增量式PID算法編程:重點(diǎn)是計(jì)算

Prog_PID(floatA0,floatA1,floatA2)具體編程見板書第60頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)多環(huán)路PID調(diào)節(jié)器的理解和應(yīng)用：

位置PID環(huán)的輸出作為速度PID環(huán)的輸入給定Spd_Ref；速度PID環(huán)的輸出作為電流PID環(huán)的輸入給定T_Ref；空載和帶載多環(huán)路控制理解。第61頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第62頁/共103頁參數(shù)整定尋最佳，從小到大順序查；

先是比例后積分，最后才把微分加；

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；

曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳；

曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；

曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長；

曲線振蕩變很快，先把微分降下來；

動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間要加長；

理想想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1；一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。

5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制PID調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)原則第63頁/共103頁先調(diào)電流環(huán)，這是電機(jī)運(yùn)動(dòng)平衡的前提；

再調(diào)速度環(huán)，這是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)的保障；

最后調(diào)位置環(huán)，這是電機(jī)定位質(zhì)量的體現(xiàn)。

5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制多環(huán)路PID調(diào)試順序第64頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第65頁/共103頁直流多環(huán)路伺服控制范例5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第66頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第67頁/共103頁任務(wù)：

采用Matlab或其他軟件，對(duì)三閉環(huán)控制

的直流伺服進(jìn)行仿真調(diào)試研究，理解PID

調(diào)節(jié)的原理；任務(wù)要求：要完整寫出方案及調(diào)試過程分析報(bào)告；5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第68頁/共103頁交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)方波型永磁同步電機(jī)：BLDCM正弦波型永磁同步電機(jī)：PMSM需要配備一套專門的調(diào)速控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測裝置；BLDCM工作磁場是步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)，還會(huì)伴有一定的噪聲，低速性能欠佳；

PMSM工作磁場是均勻旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量很小，運(yùn)行噪聲也很小，具有良好的低速性能；BLDCM比PMSM的出力提高15%、效率提高15%。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第69頁/共103頁同步電機(jī)和異步電機(jī)同步機(jī)與異步機(jī)異同點(diǎn)：相同點(diǎn)：都是屬于交流電機(jī)范疇；異同點(diǎn)：主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上。同步機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體（或轉(zhuǎn)子繞組不是閉合的，需要通入直流勵(lì)磁電流）同步；而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，需要感應(yīng)定子繞組來產(chǎn)生磁場異步；使用場合：同步電機(jī)功率因數(shù)、效率高。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第70頁/共103頁方波型永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)BLDCM伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

相較于直流有刷電機(jī)而言，直流無刷電機(jī)采用電子換向電路取代電刷和換向器，這樣有利于減小電機(jī)的體積、提高電機(jī)壽命。直流無刷電機(jī)由電機(jī)主體和電子換向器兩部分組成。電機(jī)的換相狀態(tài)由轉(zhuǎn)子的位置決定。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第71頁/共103頁控制器：控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序及作用時(shí)間；三相逆變器：根據(jù)控制器輸出的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換；位置及電流檢測：為控制器提供位置、速度及電流反饋。BLDCM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第72頁/共103頁轉(zhuǎn)子位置角θ逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Hall1Hall2Hall3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)ABCABC30o-90o-+0010+-090o-150o-0+011+0-150o-210o0-+0010+-210o-270o+-0101-+0270o-330o+0-100-0+330o-390o0+-1100-+永磁同步電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通時(shí)序5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第73頁/共103頁換向原理（順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）：當(dāng)轉(zhuǎn)子在1扇區(qū)時(shí)（90o-150o），為了使電機(jī)轉(zhuǎn)子能獲得連續(xù)的轉(zhuǎn)矩，定子磁場應(yīng)當(dāng)與轉(zhuǎn)子磁場垂直，此時(shí)定子的磁場必須位于與B-Y線重合的位置（B端為N極，Y端為S極）。定子的磁場由定子電流產(chǎn)生，定子電流的流向?yàn)椋篈相繞組電流由A端流入，X端流出；C相繞組的電流由Z端流入C端流出。因此,此時(shí)1、2開關(guān)導(dǎo)通，其余關(guān)斷。

方波型永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)原理5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第74頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)有何不同？方波永磁同步電機(jī)運(yùn)動(dòng)原理定子繞組：A-X,B-Y,C-Z轉(zhuǎn)子永磁體：SN轉(zhuǎn)子在1扇區(qū)（90o-150o）時(shí)，基于磁場的逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)原理？第75頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制永磁同步電機(jī)內(nèi)部模型學(xué)習(xí)網(wǎng)站：WWW.PENGKY.CN第76頁/共103頁當(dāng)轉(zhuǎn)子在6扇區(qū)時(shí)，定子電流的流向?yàn)椋篈相繞組電流由A端流入，X端流出；B相繞組的電流由Y端流入B端流出。當(dāng)轉(zhuǎn)子在5扇區(qū)時(shí)，定子電流的流向?yàn)椋築相繞組的電流由Y端流入B端流出；C相繞組電流由A端流入，Z端流出。當(dāng)轉(zhuǎn)子在4扇區(qū)時(shí)，定子電流的流向?yàn)椋篈相繞組電流由X端流入，A端流出；C相繞組的電流由C端流入Z端流出。當(dāng)轉(zhuǎn)子在3扇區(qū)時(shí)，定子電流的流向?yàn)椋篈相繞組電流由X端流入，A端流出；B相繞組的電流由B端流入Y端流出。當(dāng)轉(zhuǎn)子在2扇區(qū)時(shí)，定子電流的流向?yàn)椋築相繞組的電流由B端流入Y端流出；C相繞組的電流由Z端流入C端流出。

永磁同步電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)換向原理續(xù)5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第77頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制BLDCM工作磁場是步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能欠佳；

BLDCM比PMSM的出力提高15%、效率提高15%。第78頁/共103頁正弦波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制永磁同步電機(jī)實(shí)物模型永磁同步電機(jī)電路模型uAuBuC永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模型第79頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制永磁同步電機(jī)電路模型第80頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制

第81頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制基于磁場定向的解耦原理第82頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制Clark變換第83頁/共103頁三相永磁同步電機(jī)采用的是星型連接，三相定子電流在電樞繞組的中性點(diǎn)滿足基爾霍夫定律，即三相電流之和等于0，即。Clark變換可寫為5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制Clark變換系數(shù)第84頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制 Clark的變換矩陣前有一個(gè)系數(shù)：sqrt(2/3)

。這個(gè)系數(shù)給我學(xué)習(xí)Clark變換時(shí)帶來過疑惑，我根據(jù)正交分解將三相坐標(biāo)的電流變換到兩相坐標(biāo)時(shí)，根本就沒有這個(gè)sqrt(2/3)。

對(duì)于這個(gè)系數(shù)的引入，有些書的解釋是為了使的變換前后能量守恒，我再根據(jù)這個(gè)原理計(jì)算了一下變換前后的功率，終于找到了sqrt(2/3)出現(xiàn)的原因。

三相坐標(biāo)下的電流為ia，ib，ic，根據(jù)clark變換：

iα=ia-0.5ib-0.5ic

iβ=0.5sqrt(3)*ib-0.5sqrt(3)*ic第85頁/共103頁

很容易推導(dǎo)出iα和iβ的幅值是ia幅值的1.5倍，所以設(shè)ia的有效值為A，則iα，iβ的有效值為1.5A。同理，變換前的電壓為U，則變換后的電壓有效值為1.5U，則變換前的功率P1=U*A*3，變換后的功率P2=1.5U*1.5A*2=4.5U*A

可見變換前后的功率P1和P2不相等，為了使變換前后功率相等，需要給變換矩陣乘以一個(gè)系數(shù)，設(shè)為k，則變換后的iα=k(ia-0.5ib-0.5ic

)iβ=k*(0.5sqrt(3)*ib-0.5sqrt(3)*ic)則iα，iβ的有效值為1.5*k*A，電壓有效值為1.5*k*U，則變換后的功率：P2=4.5U*A*k*k。令P1=P2，所以：3*U*A=4.5U*A*k*k，解得：k=sqrt(2/3)

Clark變換矩陣的系數(shù)sqrt(2/3)，就是這樣來的。5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第86頁/共103頁P(yáng)ark變換5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第87頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制定子電壓在轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系方程定子電壓在轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系的方程沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)子的位置，因此，從定子靜止兩相到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系之間的變換實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置角的解耦。第88頁/共103頁永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)電磁功率與轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度之比求得，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電角速度與機(jī)械角速度之比等于電機(jī)的極對(duì)數(shù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第89頁/共103頁5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制功率的系數(shù)和極對(duì)數(shù)的說明第90頁/共103頁3、正弦波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)PMSMid=0控制第91頁/共103頁矢量控制：三相交流電機(jī)--（解耦）直流電機(jī)

矢量控制基本步驟

5.2伺服驅(qū)動(dòng)控制第92頁/共103頁1SPWM：著眼于生成三相對(duì)稱正弦電壓源