伺服驱动器和电机控制
时间：2022-08-30 17:30:00
一、
什么是伺服驱动器？
伺服驱动是一种接收指令信号并与伺服机构反馈进行比较的自动设备，为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
伺服机构的概念比使用当前术语要古老得多。希腊人使用风力驱动的伺服电机不断调整风车的前进方向，因此叶片总是面向风。由于术语调速器、调节器和后续设备开始使用伺服电机和伺服驱动器，因此这些系统的历史难以追溯。
工业革命标志着人类社会历史的重大转折点。需要自动控制风车、熔炉、锅炉和最终操作员无法调节的蒸汽机的开发。詹姆士·瓦特（James Watt）在使用术语伺服电机之前，开发了一种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机在波托马克河上测试模型船的无线控制。远程模型。
第一次世界大战期间，Layrence Sperry该鱼雷中的伺服电机移动舵引导航向，向美国提出了空中鱼雷专利申请。到1915年，美国伺服电机已深深扎根于美国电气工程师社区的语言中。
本世纪末，GE，Westinghouse和Northrup公司进一步开发了引入直流和交流伺服系统的技术。
二、
将电机控制电子设备集成到机器人关节中
- 集成电机控制电子设备的机器人关节易于使用，降低接线成本和EMI这方面有很大的优势。探索如何克服热量产生、安全性和集成性最常见的问题。
找到合适的电机控制器并不总是那么容易
市场上大多数现成的工业应用程序控制器。这种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，以覆盖大多数应用程序，但这有缺点，特别是集成机器人关节。
- 利用DSP和FPGA电子设备产生的热量设备产生的热量。
- 伺服驱动器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的驱动器大得多。
- 与电机集成伺服驱动的伺服驱动器重。
伺服驱动器集成机器人关节
集成电机PEVE伺服驱动器采用最新的半导体技术进行设计和制造待机功耗最低以及优化的DSP技术以实现高定位精度。这是图1所示的解决方案，将现成PEVE伺服驱动集成在机器人关节内。
使用安全的机器人关节
大多数机器人基于机器人关节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。使用图2PEVE插入式伺服驱动器和定制接口板实现了一系列安全机制：
- 通过输入电机控制器的转矩输入EtherCAT总线反馈给主控制器。
- 该系统包括双BiSS-C编码器和数字大厅实现冗余。如果编码器不匹配，伺服驱动器将通知主控制器。
- 电机控制器关闭安全转矩（STO）激活时禁用功率级功能。
超越机器人集成的极限
机械和电子工程师在设计机器人轴关节时发现的主要限制包括寻找足够的限制功率密度，正确的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和定制的解决方案。使用新型非硅晶体管和最先进的栅极驱动技术，使我们能够提供高达0.21 W / mm3.功率密度比我们最接近的竞争对手高175%，比其他伺服器高700%。这种高功率密度使电机控制器的集成成为可能，就像手术机器人或人形机器人手腕和手指的手臂执行器末端一样。
尺寸和散热
十多年来，我们一直在开发其技术，专注于空间中非常有价值的机器人应用程序。我们的解决方案是世界上最小的解决方案，仅用于手术机器人、光电、机器人关节或人形机器人。但仅仅依靠大小是不够的。为了将电机控制器集成到机器人关节中，必须适当地控制热量。灵活的结构可以实现最高性能和最低散热，待机功耗低至0.5W。
三、
【PWM频率和电感对电机电流控制的影响】
电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。高电感值可能限制系统带宽，低电感值可能导致控制环不稳定、电流读数不准确、功耗增加等问题。这些问题在摩擦力极低、动态快的高速刷电机中尤为重要。
注意低电感电机
低电感电机可能无法通过大多数现成的伺服驱动器控制，也可能需要修改硬件/固件才能正常运行。请始终联系制造商，以确定驱动程序是否合适。刷直流电机，问题更有名。
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。
了解低电感电机的影响
简化电机电气模型
等效电路可用于计算所需电压(对于多相电机，该电路将是单相表示)：
电阻R是由形成绕组的铜线引起的，电感L是由主次电路形成的磁路引起的，受绕组和铁芯结构的影响很大。电压E(反电势电压)归因于二次电路的感应电压，与磁场变化(与电机速度相关)成正比。反电动势(电动势)归因于转子上的磁铁，用于步进电机和无刷永磁电机。由定子或励磁绕组上的永磁体引起的刷直流电机。
这是一个基于众所周知的电气元件(如电感器和电阻器)的简化模型。现实更为复杂，只有使用先进的电磁模拟才能理解。
顺便说一句，根据转子的结构方法（表面安装的永磁体或内部永磁体），电感不会始终保持恒定，这将根据转子的位置、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，尤其是在低速时
以下方式给出电机的电气方程：
哪里：
- v电机施加的电压(由驱动器生成)
- L是电机的相电感（H）
- di/dt是电流的变化率（A / s）
- R是电机的相电阻（Ω）
- I 是通过电机的电流（A）
- Ke是电机电压常数（v / RPM）
- ω是电机的转速（RPM）
电流随时间变化可表示为：
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。假设电机电压等于母线电压。因此，解决微分方程并使用系统值。
