142、运动控制中的电源设计：开关电源与线性电源

运动控制中的电源设计：开关电源与线性电源

一次让我通宵的电源问题

去年调试一台六轴协作机器人，伺服驱动器在低速运行时偶尔出现“咔咔”异响，电流波形像被狗啃过。示波器一挂，发现母线电压在电机换向瞬间跌了将近8V，然后缓慢爬升回来。更诡异的是，换另一台同型号电源，问题消失。

拆开两台电源对比，一台是某品牌的开关电源，另一台是线性电源。前者输出端并了四个铝电解电容，后者只有两个。问题出在开关电源的动态响应速度上——当电机突然拉大电流时，开关电源的反馈环路来不及响应，输出电压先跌后补，这个“补”的过程又引入了高频纹波，直接耦合进电流环，导致力矩波动。

那次之后，我在运动控制系统的电源选型上再也不敢马虎。

开关电源：效率高但脾气大

开关电源在运动控制里用得最多，毕竟效率能到85%以上，体积小，发热低。但它的输出特性对运动控制来说，有几个要命的短板。

动态响应慢是第一个坑。开关电源靠PWM调节占空比来稳压，反馈环路带宽通常只有几kHz到几十kHz。电机启动瞬间电流从0A跳到十几A，这个变化速度远快于电源的响应速度。结果就是输出电压先掉下去，等环路反应过来再往上调，这个过程会产生一个“电压凹陷”。对于伺服驱动器来说，母线电压波动直接反映在电流环的输出能力上，轻则力矩不足，重则触发欠压保护。

高频纹波是第二个麻烦。开关管工作频率通常在几十kHz到几百kHz，这个频率正好落在电机电流环的带宽范围内。纹波会通过驱动电路耦合到电流采样信号上，导致电流环出现高频抖动。我见过一个案例，步进电机在低速