伺服驱动器和电机控制

一、

【什么是伺服驱动器】

伺服驱动器是一种自动设备，它接收指令信号并将其与伺服机构的反馈进行比较，以便向伺服电机提供所需的电压，以纠正与指令状态的任何偏差。

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伺服驱动器的历史

伺服机构的概念比当前术语的使用要古老得多。希腊人使用风力驱动的伺服电动机来连续调节风车的前进方向，因此叶片始终面向风。这些系统的历史很难追溯，因为术语调速器，调节器和后续设备开始使用伺服电动机和伺服驱动器。

工业革命标志着人类社会历史的一个重大转折。风车，熔炉，锅炉以及最后由操作员无法调节的蒸汽机的开发需要自动控制。詹姆士·瓦特（James Watt）在使用术语“伺服电动机”之前就已经开发了用于调节蒸汽机速度的飞球调速器，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）使用电接触器“伺服电动机”在波托马克河上对模型船的“无线控制”进行了试验。远程模型。

在第一次世界大战期间，Layrence Sperry向美国提出了一种空中鱼雷的专利申请，该鱼雷中的“伺服电机”移动了舵来引导航向。到1915年，“美国伺服电机”已深深植根于美国电气工程师社区的语言中。

在本世纪后期，GE，Westinghouse和Northrup等公司进一步开发了引入直流和交流伺服系统的技术。

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二、

【将电机控制电子设备集成到机器人关节中】

1. 有集成式电机控制电子装置的机器人关节在易用性，降低布线成本和EMI方面具有巨大优势。探索如何克服热量产生，安全性和集成性方面最常见的问题。

找到合适的电机控制器并不总是那么容易

市场上大多数针对工业应用而设计的现成控制器。这种类型的伺服驱动器的目的是覆盖尽可能多的反馈类型和通信总线，以便它们可以覆盖大多数应用程序，但这特别是对于集成机器人关节有缺点。

• 利用DSP和FPGA的通用架构会增加电子设备产生的热量。
• 为事先计划了轨迹的工业机器设计的伺服驱动器不会优先考虑通信延迟。
• 小型工业伺服驱动器仍然比将其集成到机器人关节中所需的驱动器大得多。
• 与用于电机集成的伺服驱动器相比，该驱动器重量较重。

集成机器人关节的伺服驱动器

用于集成电机的PEVE伺服驱动器采用最新的半导体技术进行设计和制造，以实现最低的待机功耗以及优化的DSP技术以实现高定位精度。这是图1所示的解决方案，其中将现成的PEVE伺服驱动器集成在机器人关节内部。

启用安全的机器人关节

大多数机器人都基于来自机器人关节的扭矩反馈来执行安全功能。此扭矩测量既可以用应变计或具有角度传感器来完成。通过监视机器人关节施加的扭矩，可以控制机器人手臂在机器周围向患者或用户施加的力，以免对任何人造成伤害。最常见的实现方式是使用电动机控制器，该控制器可以读取扭矩传感器并将信息通过实时确定性EtherCAT总线反馈给主控制器。在图2中，使用PEVE插入式伺服驱动器和定制的接口板实现了一系列安全机制：

• 电机控制器的转矩输入通过EtherCAT总线反馈到主控制器。
• 该系统包括双BiSS-C编码器和数字大厅，以实现冗余。如果编码器之间不匹配，则伺服驱动器会通知主控制器。
• 电机控制器具有安全转矩关闭（STO）功能，该功能在激活时会禁用功率级。

超越机器人集成的极限

在设计机器人轴关节时，机械和电子工程师发现的主要限制因素包括寻找具有足够功率密度，正确形状因数和低散热量的组件的复杂性。

功率密度

我们为市场上功率密度最高的机器人轴关节提供现成的和定制的解决方案。新型非硅晶体管的使用以及最先进的栅极驱动器技术使我们能够提供高达0.21 W / mm3的功率密度，这比我们最接近的竞争对手高出175％，比其他伺服器高出700％驱动供应商。这种高功率密度使电机控制器的集成成为可能，就像以前不可能实现的那样，如外科机器人或人形机器人手腕和手指的手臂执行器末端。

尺寸和散热

十多年来，我们一直在开发其技术，专注于空间极为宝贵的机器人应用。我们的解决方案是世界上最小的解决方案，仅用于外科手术机器人，光电，机器人关节或人形机器人中。但是仅靠大小是不够的。为了将电机控制器集成到机器人关节内，必须适当地控制热量。灵活的架构可实现最高的性能和最低的散热，待机功耗低至0.5W。

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三、

【PWM频率和电感对电机电流控制的影响】

电动机电感或更合适的“电气时间常数”值在许多方面影响伺服驱动器。高电感值可能会限制系统带宽，而低电感值可能会导致控制环路不稳定，电流读数不准确，功率损耗增加以及其他问题。 这些问题在具有极低摩擦力和快速动态特性的高速有刷电动机中尤其重要。

注意低电感电机

低电感电动机可能无法通过大多数现成的伺服驱动器进行控制，或者可能需要对硬件/固件进行修改才能正常运行。请始终与制造商联系，以确定驱动程序是否合适。对于有刷直流电机，问题更为出名。

本页重点介绍了高和低电机电感值对整个伺服驱动系统的主要影响以及如何应对这些影响。

了解低电感电动机的影响

简化的电机电气模型

可以使用等效电路对电动机进行建模，该等效电路可用于计算所需的电压（对于多相电动机，此电路将是单相表示）：

电阻R是由用于形成绕组的铜线引起的，电感L是由初级和次级电路形成的磁路引起的，并且受绕组和铁芯结构的影响很大。电压E（反电动势电压）归因于次级电路的感应电压，并且与磁场变化（与电动机速度相关）成正比。对于步进电动机和无刷永磁电动机，反电动势（电动势）归因于转子上的磁铁。对于有刷直流电动机，这是由于定子或励磁绕组上的永磁体引起的。

这是一个基于众所周知的电气组件（如电感器和电阻器）的简化模型。现实更加复杂，只有使用高级电磁仿真才能理解。

顺便说一下，根据转子的构造方法（表面安装的永磁体或内部永磁体），电感将不会始终保持恒定，它会根据转子的位置以及定子和转子的结构而变化。

因为磁性材料的相对磁导率比周围的铁小得多，所以流过磁体的磁通的磁阻差大于铁路径的磁阻。随着转子角度的增加，磁阻具有周期性变化。如果在定子的线圈上测量电感，则其外观如下图所示。

电机电感对伺服驱动器的影响

电流纹波可能很大，特别是在低速时

电动机的电气方程由下式给出：

哪里：

• v 是电机施加的电压（由驱动器生成）
• L 是电动机的相电感（H）
• di/dt是电流的变化率（A / s）
• R 是电动机的相电阻（Ω）
• I 是通过电机的电流（A）
• Ke是电机电压常数（v / RPM）
• ω 是电动机的转速（RPM）

电流随时间的变化可以表示为：

以最小的I·R乘积和零电机速度获得PWM调制驱动器中的最大纹波。假定电动机电压等于母线电压。因此，求解微分方程并使用系统值。