机器人控制——电机驱动器 learn & mark

时间：2023-02-04 04:36:19

电机驱动器主要可以分为两种，数字式的驱动器和非数字式的驱动器：

数字式的基本上依靠总线通讯，通过读写驱动器上的控制器的寄存器或者RAM来实现数据交换。在上层就只需要发送简单的控制参数就可以了（例如，PTP运动——在给定的时间运动到给定的位置，PVT——在给定时间以给定速度到达给定位置点，JOG运动——以给定的速度一直运动等等），该驱动器一般多用在直流伺服电机的控制上，直流驱动相对简单一些（通讯can, ethercat etc.，PWM或者PFM调制脉冲宽度或者频率，控制算法，一般为PID+前馈控制 feed
forward），因此可以做得特别小（功率相对小一些，用的一般为MOSFET，而非 IGBT），因此很多小型的机械臂上面使用的就是这种驱动器。例如，该类型的驱动器有Maxon的EPOS系列，以色列的Elmo系列，瑞士的Technosoft的EasyMotion等等。

非数字式的驱动器提供的控制方式就比较灵活了，例如位置控制是通过发送脉冲（个数表示位置，频率表示速度，一般有三种方式：AB相脉冲，或者单相脉冲+方向，或者正相脉冲+反向脉冲）来实现的；速度控制或者力矩控制通过模拟量来控制（10v 表示正向最大速度/力矩， -10v表示反向最大速度/力矩，控制精度就依赖AD的转换精度了）。该种驱动器很多是用来驱动三相交流伺服电机，功率体积相对要大一些。例如，日本的三菱，安川，松下，东方等驱动器。

如果发送的位置指令，那基本上就是通过：位置环->速度环->力矩环 ，再通过控制电路（PWM调压，或者变频，或者带算法的FOC矢量控制）控制电机转矩和转速了。
但是如果只是发送位置指令或者只考虑位置，那么系统的动态响应就比较差（可能出现速度突变，或者加速度突变的情况，导致系统冲击抖动），因此如果要获得更好的控制效果，控制更底层的速度，或者加速度的，或者加加速度（jerk）能是的系统更加稳定。

Torque controller stucture：
User torque rererence → Torque limiter → Torque controller outputs motor PWM
Velocity controller stucture：
User velocity setpoint → Velocity limiter → Velocity controller outputs torque rererence → Torque limiter → Torque controller outputs motor PWM
Position controller stucture：
User position setpoint → Position controller outputs velocity setpoint → Velocity limiter → Velocity controller outputs torque rererence → Torque limiter → Torque controller outputs motor PWM

关于 PID 调节：

伺服系统包括三个反馈回路（位置回路、速度回路以及电流回路）。最内环回路的反应速度最快，中间环节的反应速度必须高于最外环。假使未遵守此原则，将会造成震动或反应不良。伺服驱动器的设计可确保电流回路具备良好的反应效能。用户只需调整位置回路与速度回路参数。系统各参数之间总是相互制约的，如果只有位置回路增益增加，位置回路输出的指令可能会变得不稳定，以致整个伺服系统的反应可能会变得不稳定。通常可参照下列步骤对系统进行调整：

1) 将位置前馈和位置微分设为零，位置增益和速度增益先设在较低值（1/3），然后在不产生异常响声和振动的前提下，逐渐增加速度增益至少有振动则再减小到当前值的80%。

2）增加位置增益至少有振动。再增加位置微分至没有振动。

3）增加位置前馈使滞后和超调最小。

4）如果电机运行时有振动，适当减少速度增益。

5）如果电机停止时有振动，适当减少位置增益，或增加位置微分。

6）如果电机有电磁躁声，适当减少电流增益。

Or, to tune a PID use the following steps:

  1. Set all gains to zero.
  2. Increase the P gain until the response to a disturbance is steady
    oscillation.
  3. Increase the D gain until the the oscillations go away (i.e. it’s
    critically damped).
  4. Repeat steps 2 and 3 until increasing the D gain does not stop the
    oscillations.
  5. Set P and D to the last stable values.
  6. Increase the I gain until it brings you to the setpoint with the
    number of oscillations desired (normally zero but a quicker response
    can be had if you don’t mind a couple oscillations of overshoot)

在整个响应无超调、无振动的前提下，应将位置增益设至最大。随后对速度增益及位置前馈、位置微分进行微调，找到最佳值
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