伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案伺服電機(jī)的原理：伺服的基本概念是準(zhǔn)確、精確、快速定位。與普通電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差90電角度。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)控制的 uvw 三相電形成電磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度線數(shù))。伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降

2、 作用：伺服電機(jī),可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無(wú)本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無(wú)控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，如控制信號(hào)消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖 3 中曲線 1 所示，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2 相比，有明顯的區(qū)別。

3、它可使臨界轉(zhuǎn)差率s01，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。圖 3 伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性 2、運(yùn)行范圍較寬如圖 3 所示，較差率 s 在 0 到 1 的范圍內(nèi)伺服電動(dòng)機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。3、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（t1s1、t2s2 曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（ts 曲線）如圖4 所示，與普通的單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性（圖中ts 曲

4、線）不同。這時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩 t是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。圖 4 伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性圖 5 是伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性曲線。負(fù)載一定時(shí)，控制電壓uc 愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時(shí)，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降。圖 5 伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是 0.1-100w。當(dāng)電源頻率為 50hz，電壓有 36v、110v、220、380v；當(dāng)電源頻率為 400hz，電壓有 20v、26v、36v、115v 等多種。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用

5、于 0.5-100w的小功率控制系統(tǒng)。 *機(jī)器手伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析變頻與伺服的關(guān)系：目前市場(chǎng)上變頻控制器的用途要大大的大于伺服機(jī)構(gòu)，有必要搞清伺服和變頻兩個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系，以便提高可參考設(shè)計(jì)的途徑，這樣才能以最低的成本達(dá)到設(shè)計(jì)出自己的伺服控制的目的。簡(jiǎn)單的說(shuō)：變頻只是伺服的一個(gè)部分，伺服是在變頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉環(huán)的精確控制從而達(dá)到更理想的效果。我們的目標(biāo)和步驟要在變頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先解決電機(jī)的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，達(dá)到調(diào)速目的，然后加入對(duì)反饋的采樣，設(shè)計(jì)自己的 pid 算法，最終完成閉環(huán)控制。當(dāng)然，這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有難度的，因?yàn)楹?jiǎn)單的看如果系統(tǒng)完成僅僅做一個(gè)單獨(dú)的伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)就已經(jīng)能有一定的市場(chǎng)，

6、如果系統(tǒng)簡(jiǎn)單的話，伺服系統(tǒng)的價(jià)格應(yīng)該不是現(xiàn)在的價(jià)位！所以正確的分析系統(tǒng)難度是保證系統(tǒng)的正確完成的基礎(chǔ)。首先控制部分的算法是各廠家保密的技術(shù)環(huán)節(jié)，如果僅僅使用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電容移相的控制方式不適合于高精度定位控制的需要。那么我們必然要選擇 ac-dc-ac 的過(guò)程，這中間的 dc-ac 的三相逆變技術(shù)是必須要攻克的。如果簡(jiǎn)單的 pwm 電機(jī)調(diào)速使用通常的技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)，但是相對(duì)高頻的（400hz）三相逆變需要系統(tǒng)處理要有很高的速度。其次 dsp 技術(shù)的應(yīng)用需要比較高的理論基礎(chǔ)，這對(duì)我們是一種挑戰(zhàn)，合理的算法和處理機(jī)制是實(shí)現(xiàn)最終控制的必然途徑，要克服理論上的差距，必要的學(xué)習(xí)和鉆研過(guò)程是不可避免的。這

7、中間和熟悉的技術(shù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的差異是時(shí)間的損耗！pid 的控制算法是銷售伺服控制系統(tǒng)公司的技術(shù)命脈，pid 算法的好壞直接決定下一步機(jī)械手系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和系統(tǒng)精度的保證。對(duì)任何公司來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)專用的 pid算法都是公司技術(shù)含量最高的部分。這部分包含自動(dòng)控制算法、錯(cuò)誤的處理和動(dòng)作判斷以及控制方式的選擇。 伺服電機(jī)的選擇：目前定型為松下 400hz36v 三相交流伺服電機(jī)？（原因）伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理：交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機(jī)的伺服控制的基礎(chǔ)上通過(guò)變頻的 pwm 方式模仿直流電機(jī)的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60hz

8、的交流電先整流成直流電，然后通過(guò)可控制門極的各類晶體管（igbt ，igct 等）通過(guò)載波頻率和 pwm 調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動(dòng)電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機(jī)的速度就可調(diào)了（n=60f/2p ，n 轉(zhuǎn)速，f 頻率， p 極對(duì)數(shù)）。交流伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號(hào)的方式不同，可以分為模擬式伺服、數(shù)字模擬混合式伺服和全數(shù)字式伺服；如果按照使用的伺服電動(dòng)機(jī)的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動(dòng)機(jī)（無(wú)刷直流機(jī)）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中需要采

9、用磁極位置傳感器而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中含有滑差頻率計(jì)算部分。若采用微處理器軟件實(shí)現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和鼠籠型異步伺服電動(dòng)機(jī)使用同一套伺服放大器。1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如 10v 對(duì)應(yīng) 5nm 的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5v 時(shí)電機(jī)軸輸出為 2.5nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于 2.5nm 時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于 2.5nm 時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于 2.5nm 時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)(通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生)?？梢酝ㄟ^(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用

10、主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。2、位置控制：位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。3、速度模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán) pid 控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)

11、給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這 樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。交流伺服電動(dòng)機(jī)有以下三種轉(zhuǎn)速控制方式：u 幅值控制 控制電流與勵(lì)磁電流的相位差保持 90不變，改變控制電壓的大小。u 相位控制 控制電壓與勵(lì)磁電壓的大小，保持額定值不變，改變控制電壓的相位。u 幅值相位控制 同時(shí)改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓相位的反相而改變。一般伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖伺服電機(jī)控制部分框圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：（1） 制定控制方案的技術(shù)路線，

12、確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制電路：a) 首先確認(rèn)使用 dsp 的廠家型號(hào)； b) 找出使用該信號(hào)控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的模型；（最好可以演示）c) 繪制控制部分原理圖和 pcb 圖通過(guò)試驗(yàn)手段，試驗(yàn)各種控制模式下電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；d) 封裝硬件及軟件模塊；（2） 本階段總結(jié)上一階段的試驗(yàn)成果，吸收并進(jìn)一步測(cè)試各種控制的適用范圍，制定電機(jī)控制模塊的通訊協(xié)議、控制模式和 pid 控制的指導(dǎo)方案：a) 測(cè)試反饋信號(hào)和處理速度之間的匹配；b) 封裝模塊的適用范圍測(cè)試；c) 論證機(jī)械手系統(tǒng)適用的伺服電機(jī)控制方式；d) 確認(rèn)系統(tǒng)整體功能需求。（3） 整體系統(tǒng)方案確認(rèn)階段：a) 機(jī)械手綜合控制單元的功能確認(rèn)；b) 人機(jī)界面

13、：按鍵和顯示單元的模塊試驗(yàn)；c) 通訊方式的測(cè)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試；d) 逐次增加電機(jī)的數(shù)量，測(cè)試電機(jī)的協(xié)調(diào)性動(dòng)作和模塊封裝；e) 電路安裝的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。（4） 綜合設(shè)計(jì)階段：a) 全部硬件的綜合性能調(diào)試；b) 不同控制模式和不同動(dòng)作下，細(xì)致動(dòng)作的準(zhǔn)確性測(cè)試；c) 復(fù)雜動(dòng)作的壓力測(cè)試和快速反應(yīng)的數(shù)據(jù)流量測(cè)試；d) 整體功耗測(cè)試和烤機(jī)測(cè)試。（5） 聯(lián)機(jī)調(diào)試階段：a) 脫機(jī)操作的各種動(dòng)作的穩(wěn)定性測(cè)試；b) 待機(jī)狀態(tài)的 emc 測(cè)試和硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)驗(yàn)證；c) 聯(lián)機(jī)狀態(tài)下的綜合動(dòng)作測(cè)試及到位反饋；d) 模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的烤機(jī)測(cè)試。第一階段所涉及到技術(shù)細(xì)節(jié)及難點(diǎn)分析如上圖首先要通過(guò)數(shù)學(xué)手段，模擬出三相逆變的

14、交流 400hz 控制電源；數(shù)學(xué)模型和 6 路 3對(duì)上下臂的 pwm 輸出方式是這一階段的兩個(gè)難點(diǎn)。 上圖為三相逆變電路的原理圖，但是根據(jù)此原理圖對(duì)功率模塊的測(cè)試和對(duì)稱性選擇會(huì)嚴(yán)重的阻礙項(xiàng)目的進(jìn)度。根據(jù)，目前掌握的情況，建議我們直接選擇 ipm 模塊。下圖為 ipm 模塊的功能圖。根據(jù)前期進(jìn)度要求，同時(shí)建議使用單電源的ipm 模塊。圖 1 hvic 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2 單電源 ipm 內(nèi)部電路 附錄：伺服馬達(dá)編碼器工作原理 四、一輩子孤單并不可怕，如果我們可以從中提煉出自由，那我們就是幸福的。許多長(zhǎng)久的關(guān)系都以為忘記了當(dāng)初所堅(jiān)持與擁有的，最后又開(kāi)始羨慕起孤單的人。五、戀愛(ài)，在感情上，當(dāng)你想

15、征服對(duì)方的時(shí)候，實(shí)際上已經(jīng)在一定程度上被對(duì)方征服了。首先是對(duì)方對(duì)你的吸引，然后才是你征服對(duì)方的欲望。六、沒(méi)有心如刀割，不再依依不舍，只有，沉默相隔七、和你在一起只是我不想給任何人機(jī)會(huì)。 八、一個(gè)人總要走陌生的路，看陌生的風(fēng)景，聽(tīng)陌生的歌，然后在某個(gè)不經(jīng)意的瞬間，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，原本是費(fèi)盡心機(jī)想要忘記的事情真的就那么忘記了。九、無(wú)論我們愛(ài)過(guò)還是就這樣錯(cuò)過(guò)，我都會(huì)感謝你。因?yàn)橛鲆?jiàn)你，我才知道思念一個(gè)人的滋味；因?yàn)橛鲆?jiàn)你，我才知道感情真的不能勉強(qiáng)；因?yàn)橛鲆?jiàn)你，我才知道我的心不是真的死了；因?yàn)橛鲆?jiàn)你，我才知道我也能擁有美麗的記憶。所以，無(wú)論你怎么對(duì)待我，我都會(huì)用心去寬恕你的狠，用心去銘記你的好。十、愛(ài)情需要

16、的是彼此互相的照顧，當(dāng)我們心愛(ài)的人累了，我們不是坐在一邊不理，而是多陪對(duì)方談?wù)勑?，?duì)方需要什么的時(shí)候，自己盡量的滿足對(duì)方的需求，至少可以讓對(duì)方知道，在自己身邊的感覺(jué)是如此的溫暖。十一、自從你出現(xiàn)後，我才知道原來(lái)有人愛(ài)是那麼的美好十五、不管你是多么的愛(ài)對(duì)方，但千萬(wàn)不可當(dāng)?shù)谌摺＜?xì)想，默然。因?yàn)橹溃@樣的故事一開(kāi)始便注定了結(jié)局，一開(kāi)始就注定在這個(gè)故事里，很多人會(huì)受傷。離開(kāi)的總是要離開(kāi)，挽留不住，就像彼岸花，窮其一生，花葉仍是生生相錯(cuò)。十六、什么叫快樂(lè)？就是掩飾自己的悲傷對(duì)每個(gè)人微笑。十七、愛(ài)情與視力無(wú)關(guān)，任你看得再怎么清楚，在愛(ài)里只有模糊。因?yàn)樘斆魈碇蔷蜎](méi)有辦法戀愛(ài)，愛(ài)情根本是盲目的。十八、

17、戀愛(ài)就像剪頭發(fā)，這種事情不到最后是不知道結(jié)果的，結(jié)果能否令每個(gè)人皆大歡喜，無(wú)人保障，但是一切都是自己的選擇。十九、因?yàn)閻?ài)過(guò)，所以慈悲：因?yàn)槎?，所以寬容。二十、那些隨風(fēng)散落的微笑眼神，仿似落寞詩(shī)人的愛(ài)情詩(shī)句，一段一段，錯(cuò)落成行。孤獨(dú)的鐘鳴徹夜悲鳴，那些如花容顏，終不敵過(guò)時(shí)間切割的頹敗，我們憂傷的仰望陽(yáng)光，看流年未亡年華盡耗。二十一、一個(gè)人一生可以愛(ài)上很多的人，等你獲得真正屬于你的幸福之后，你就會(huì)明白一起的傷痛其實(shí)是一種財(cái)富，它讓你學(xué)會(huì)更好地去把握和珍惜你愛(ài)的人。二十二、愛(ài)一個(gè)人，由天由人卻由不得自己。不由自主只因刻骨銘心，不離不棄只因無(wú)法代替?？偸切挠衅诖?，才有燈火闌珊處的望眼等待；總是情懷善待，才有心甘情愿地付出所有，習(xí)慣的依賴。也許你的世界一無(wú)所有，但在愛(ài)你人的心里，你就是全世界。珍惜一個(gè)深愛(ài)你的人，更要珍藏一顆為你融入生命的心。二十三、就在我以為一切都沒(méi)有改變只要我高興就可以重新扎入你的懷抱一輩子不出來(lái)的時(shí)候，其實(shí)一切都已經(jīng)滄海桑田了，我像是一躲在殼里長(zhǎng)眠的鸚鵡螺，等我探出頭來(lái)打量這個(gè)世界的時(shí)候，我原先居住的大海已經(jīng)成為高不可攀的山脈，而我，是一塊僵死在山崖上的化石二十四、幸福，不是長(zhǎng)生不老，不是大魚(yú)大肉，不是權(quán)傾朝野。幸福是每一個(gè)微小的生活愿望達(dá)成。當(dāng)你想吃的時(shí)候有得吃，想被愛(ài)的時(shí)候有人來(lái)愛(ài)你。二