在機(jī)器人行業(yè)里，伺服驅(qū)動(dòng)是一個(gè)老生常談的話題了。隨著工業(yè)4.0的加速更迭，機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)也隨之升級(jí)?，F(xiàn)在的機(jī)器人系統(tǒng)既要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能控制更多的軸數(shù)，還要能實(shí)現(xiàn)更多智能化的功能。

　　在多軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，它必須在三個(gè)維度上使用不同大小的力才能完成設(shè)定的搬運(yùn)等任務(wù)。機(jī)器人中的電機(jī)能夠在精確的點(diǎn)提供可變速度和扭矩，控制器使用它們沿著不同的軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。在機(jī)器人完成搬運(yùn)任務(wù)后，電機(jī)會(huì)減小扭矩，同時(shí)將機(jī)械臂返回到其初始位置。

　　這種高效伺服系統(tǒng)由高性能控制信號(hào)處理、精確感應(yīng)反饋、電源以及智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)一起組成，提供復(fù)雜的接近瞬時(shí)響應(yīng)的精確速度和扭矩控制。

　　高速實(shí)時(shí)伺服環(huán)路控制—控制信號(hào)處理與感應(yīng)反饋

　　伺服環(huán)路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字化實(shí)時(shí)控制的基礎(chǔ)離不開(kāi)微電子制造工藝的升級(jí)。以最常見(jiàn)的三相電運(yùn)行的機(jī)器人電機(jī)為例，PWM三相逆變器生成高頻脈沖電壓波形，以獨(dú)立相將這些波形輸出到電機(jī)的三相繞組中。在這三個(gè)功率信號(hào)中，電機(jī)負(fù)載的變化會(huì)影響感應(yīng)、數(shù)字化并發(fā)送到數(shù)字處理器的電流反饋。再由數(shù)字處理器進(jìn)行高速信號(hào)處理算法決定輸出。

　　這里不僅要求數(shù)字處理器的高性能，對(duì)電源也有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。我們先看處理器部分，內(nèi)核運(yùn)算速度必須要跟上自動(dòng)化升級(jí)的腳步，這個(gè)現(xiàn)在已經(jīng)不再是問(wèn)題。一些運(yùn)控芯片將電機(jī)控制所必需的A/D轉(zhuǎn)換器、位置/速度檢測(cè)倍頻計(jì)數(shù)器、PWM發(fā)生器等等與處理器內(nèi)核集成于一體，使得伺服控制回路采樣時(shí)間大大縮短，由單一芯片實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加減速控制，齒輪同步控制，位置、速度、電流三環(huán)的數(shù)字化補(bǔ)償控制。

　　控制算法如速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波也在單芯片上實(shí)現(xiàn)。處理器的選取這里不再贅述，在此前的文章中已經(jīng)對(duì)各類機(jī)器人應(yīng)用做過(guò)分析，不管是低成本應(yīng)用，還是對(duì)編程和算法有較高要求的應(yīng)用目前市面上已經(jīng)有很多選擇，優(yōu)勢(shì)各異。

　　不只是電流反饋，其他的感應(yīng)數(shù)據(jù)也會(huì)送到控制器中來(lái)跟蹤系統(tǒng)電壓和溫度的變化。高分辨率的電流和電壓檢測(cè)反饋一直是電機(jī)控制里的難題。同時(shí)檢測(cè)所有分流器/霍爾傳感器/磁傳感器的反饋無(wú)疑是最好的，不過(guò)這樣對(duì)設(shè)計(jì)有很高的要求，而且計(jì)算能力要跟得上。

　　同時(shí)為了避免信號(hào)的丟失和干擾，在靠近傳感器的邊緣對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，隨著采樣率上升，信號(hào)漂移帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤也不少，設(shè)計(jì)需要通過(guò)感應(yīng)和算法調(diào)整對(duì)這些變化進(jìn)行補(bǔ)償。這樣伺服系統(tǒng)才能在各種條件下保持穩(wěn)定。

　　可靠精準(zhǔn)伺服驅(qū)動(dòng)—電源與智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)

　　具有穩(wěn)定高分辨率控制的超高速開(kāi)關(guān)功能的電源為可靠精準(zhǔn)的伺服控制供電，目前有很多廠商都有采用高頻材料的集成式電源模塊，設(shè)計(jì)起來(lái)容易了很多。

　　開(kāi)關(guān)模式電源在基于控制器的閉環(huán)電源拓?fù)渲羞\(yùn)行，兩種常用的電源開(kāi)關(guān)是功率MOSFET和IGBT。柵極驅(qū)動(dòng)器在采用開(kāi)關(guān)模式電源的系統(tǒng)中很常見(jiàn)，開(kāi)關(guān)模式電源通過(guò)對(duì)ON/OFF狀態(tài)的控制在這些開(kāi)關(guān)的柵極上進(jìn)行調(diào)節(jié)電壓和電流。

　　在開(kāi)關(guān)模式電源和三相逆變器的設(shè)計(jì)上，各類高性能的智能柵極驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)置FET的驅(qū)動(dòng)器、集成控制功能的驅(qū)動(dòng)器層出不窮。內(nèi)置FET和電流采樣功能的集成設(shè)計(jì)，可以大幅減少外部元器件的使用，PWM和使能、上下管、霍爾信號(hào)輸入邏輯配置大大增加了設(shè)計(jì)的靈活性，既簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，又提升了電源效率。

　　伺服驅(qū)動(dòng)IC也將集成度發(fā)揮到最大，完全集成的伺服驅(qū)動(dòng)IC可以大大縮短伺服系統(tǒng)出色動(dòng)態(tài)性能的開(kāi)發(fā)時(shí)間。預(yù)驅(qū)、傳感、保護(hù)電路和電源橋集成到一個(gè)封裝中可以最大限度地降低整體功耗和系統(tǒng)成本。這里列的是Trinamic(ADI)的完全集成式的伺服驅(qū)動(dòng)IC框圖，所有控制功能都在硬件中實(shí)現(xiàn)，集成ADC、位置傳感器接口、位置內(nèi)插器，功能齊全適用于各種伺服應(yīng)用。

　　小結(jié)

　　高效伺服系統(tǒng)里高性能控制信號(hào)處理、精確感應(yīng)反饋、電源以及智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)缺一不可，高性能器件的相互配合才能給機(jī)器人實(shí)時(shí)提供在運(yùn)動(dòng)中瞬間響應(yīng)的精確速度與扭矩控制。在更高的性能之余，各個(gè)模塊的高集成度也提供了更低的成本和更高的工作效率。