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

　　在多軸工業(yè)機器人運行中的每個節(jié)點上，它必須在三個維度上使用不同大小的力才能完成設(shè)定的搬運等任務(wù)。機器人中的電機能夠在精確的點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)運動，從而實現(xiàn)精確的定位。在機器人完成搬運任務(wù)后，電機會減小扭矩，同時將機械臂返回到其初始位置。

　　這種高效伺服系統(tǒng)由高性能控制信號處理、精確感應(yīng)反饋、電源以及智能電機驅(qū)動一起組成，提供復(fù)雜的接近瞬時響應(yīng)的精確速度和扭矩控制。

　　高速實時伺服環(huán)路控制—控制信號處理與感應(yīng)反饋

　　伺服環(huán)路實現(xiàn)高速數(shù)字化實時控制的基礎(chǔ)離不開微電子制造工藝的升級。以最常見的三相電運行的機器人電機為例，PWM三相逆變器生成高頻脈沖電壓波形，以獨立相將這些波形輸出到電機的三相繞組中。在這三個功率信號中，電機負載的變化會影響感應(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)字處理器進行高速信號處理算法決定輸出。

　　這里不僅要求數(shù)字處理器的高性能，對電源也有嚴(yán)格的設(shè)計要求。我們先看處理器部分，內(nèi)核運算速度必須要跟上自動化升級的腳步，這個現(xiàn)在已經(jīng)不再是問題。一些運控芯片將電機控制所必需的A/D轉(zhuǎn)換器、位置/速度檢測倍頻計數(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間大大縮短，由單一芯片實現(xiàn)了自動加減速控制，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)對各類機器人應(yīng)用做過分析，不管是低成本應(yīng)用，還是對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)勢各異。

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

　　同時為了避免信號的丟失和干擾，在靠近傳感器的邊緣對信號進行數(shù)字化，隨著采樣率上升，信號漂移帶來的數(shù)據(jù)錯誤也不少，設(shè)計需要通過感應(yīng)和算法調(diào)整對這些變化進行補償。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—電源與智能電機驅(qū)動

　　具有穩(wěn)定高分辨率控制的超高速開關(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)計起來容易了很多。

　　開關(guān)模式電源在基于控制器的閉環(huán)電源拓撲中運行，兩種常用的電源開關(guān)是功率MOSFET和IGBT。柵極驅(qū)動器在采用開關(guān)模式電源的系統(tǒng)中很常見，開關(guān)模式電源通過對ON/OFF狀態(tài)的控制在這些開關(guān)的柵極上進行調(diào)節(jié)電壓和電流。

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

　　伺服驅(qū)動IC也將集成度發(fā)揮到最大，完全集成的伺服驅(qū)動IC可以大大縮短伺服系統(tǒng)出色動態(tài)性能的開發(fā)時間。預(yù)驅(qū)、傳感、保護電路和電源橋集成到一個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IC框圖，所有控制功能都在硬件中實現(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。

　　完全集成式伺服驅(qū)動IC，Trinamic(ADI)

　　小結(jié)

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