机器人关节电机控制

机器人的运动控制系统

通常由电机控制器、电机驱动、电机本体(多为伺服电机)组成。电机控制器具备智能运算功能，并可传送指令以驱动电机。驱动可提供增压电流，根据控制器指令以驱动电机。电机可以直接移动机器人，也可通过传动系统或链条系统让机器人移动。

伺服电机控制原理
伺服电机是机器人应用中常见的一种电机，其基本控制原理是利用控制回路、结合必要的电机反馈，从而协助电机进入所需的状态，如位置与速度等。由于伺服电机必须通过控制回路了解目前状态，因此其稳定性高于步进电机。

关节是工业机器人最重要的基础部件之一，也是运动的核心部件：精密减速机。这是一种精密的动力传达机构，其利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的装置，从而降低转速，增加转矩。

机器人关节处的减速传动，要求传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制，同时，对于中高载荷的工业机器人，还需要足够的刚度、回转精度和运动精度稳定性。

减速器视频如下链接

http://flv0.bn.netease.com/061ebe6ab5d1008953c5109af05296f1d0e373f2031b10bc680e7ce6ec37d1983b15a4b584575b490abc987ed0bd501a22b038b85d9a551f7ec9796325a69f69a17e3921d59b58ec1976d9c1d55a1a5a809d59fd8c293ed5ad756d9198f0b35af68fa28ba1c6cb4001039daf8b8f66ae4bc304a56507aeee.mp4http://flv0.bn.netease.com/061ebe6ab5d1008953c5109af05296f1d0e373f2031b10bc680e7ce6ec37d1983b15a4b584575b490abc987ed0bd501a22b038b85d9a551f7ec9796325a69f69a17e3921d59b58ec1976d9c1d55a1a5a809d59fd8c293ed5ad756d9198f0b35af68fa28ba1c6cb4001039daf8b8f66ae4bc304a56507aeee.mp4

电机的控制一共有三环，电流环、速度环、位置环。

电流环是最里面的一环，直接控制给定电机的电流，电流和转矩成比例，顺便控制了转矩，电流给定了电机就会旋转，产生速度值。

速度环是电流环外的一环，速度的控制需要外加传感器，来测定实际旋转速度，控制速度的高低方式就是调节电流的大小，速度环控制好了，就可以跑位置。

位置环是速度环外的一环，位置运动的逻辑就是经典梯形图，加速减速和匀速。位置运行必须给定的参数是位置、速度、加速度、减速度，这些参数给定后，运行轨迹确定，当然就可以控制位置了。

串级PID结构图

PID串级控制的典型结构为位置环+速度环+电流环，如下图。

PID串级控制中，最外环是输入是整个控制系统的期望值，外环PID的输出值是内环PID的期望值。

能够使用三环控制的前提是要硬件支持，比如位置环和速度环需要实时的电机转动位置和转动速度作为反馈，这就需要电机需要配有编码器用于测速与测量转动的位置；电流环需要有电流采样电路来实时获取电机的电流作为反馈。

如果没有电流采样电路，可以将电流环去掉，只使用位置环+速度环，系统的期望仍是转动的位置，内环可以调节转动的速度。

另外，如果只是想控制电机转速实现电机调速，可以使用速度环+电流环，系统的期望仍是转动的位置，内环可以调节电机的电流，增强系统转动调节的抗干扰能力。