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在機器人行業里，伺服驅動是一個老生常談的話題了。隨著工業4.0的加速更迭，機器人的伺服驅動也隨之升級。現在的機器人系統既要求驅動系統能控制更多的軸數，還要能實現更多智能化的功能。


在多軸工業機器人運行中的每個節點上，它必須在三個維度上使用不同大小的力才能完成設定的搬運等任務。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調運動，從而實現精確的定位。在機器人完成搬運任務后，電機會減小扭矩，同時將機械臂返回到其初始位置。


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


高速實時伺服環路控制—控制信號處理與感應反饋


伺服環路實現高速數字化實時控制的基礎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、數字化并發送到數字處理器的電流反饋。再由數字處理器進行高速信號處理算法決定輸出。


這里不僅要求數字處理器的高性能，對電源也有嚴格的設計要求。我們先看處理器部分，內核運算速度必須要跟上自動化升級的腳步，這個現在已經不再是問題。一些運控芯片將電機控制所必需的A/D轉換器、位置/速度檢測倍頻計數器、PWM發生器等等與處理器內核集成于一體，使得伺服控制回路采樣時間大大縮短，由單一芯片實現了自動加減速控制，齒輪同步控制，位置、速度、電流三環的數字化補償控制。


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。處理器的選取這里不再贅述，在此前的文章中已經對各類機器人應用做過分析，不管是低成本應用，還是對編程和算法有較高要求的應用目前市面上已經有很多選擇，優勢各異。


不只是電流反饋，其他的感應數據也會送到控制器中來跟蹤系統電壓和溫度的變化。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字化，隨著采樣率上升，信號漂移帶來的數據錯誤也不少，設計需要通過感應和算法調整對這些變化進行補償。這樣伺服系統才能在各種條件下保持穩定。


可靠精準伺服驅動—電源與智能電機驅動


具有穩定高分辨率控制的超高速開關功能的電源為可靠精準的伺服控制供電，目前有很多廠商都有采用高頻材料的集成式電源模塊，設計起來容易了很多。


開關模式電源在基于控制器的閉環電源拓撲中運行，兩種常用的電源開關是功率MOSFET和IGBT。柵極驅動器在采用開關模式電源的系統中很常見，開關模式電源通過對ON/OFF狀態的控制在這些開關的柵極上進行調節電壓和電流。


在開關模式電源和三相逆變器的設計上，各類高性能的智能柵極驅動器、內置FET的驅動器、集成控制功能的驅動器層出不窮。內置FET和電流采樣功能的集成設計，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計的靈活性，既簡化了開發流程，又提升了電源效率。


伺服驅動IC也將集成度發揮到最大，完全集成的伺服驅動IC可以大大縮短伺服系統出色動態性能的開發時間。預驅、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成本。這里列的是Trinamic（ADI）的完全集成式的伺服驅動IC框圖，所有控制功能都在硬件中實現，集成ADC、位置傳感器接口、位置內插器，功能齊全適用于各種伺服應用。