伺服控制系統(tǒng)

1、交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)班級(jí)電氣5班學(xué)號(hào) 2015345姓名李宏陽(yáng)1引言隨著社會(huì)的發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)的作用就越來越大，運(yùn)用范圍也越來越廣。 從最開始的主要運(yùn)用與軍事方面到工業(yè)的方方面面都離不開伺服控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)最初 是用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動(dòng)車 床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。伺服控制系統(tǒng)在整個(gè)社會(huì)發(fā)展中的地位越來越重要，我們主要可以去了解控制策略、 控制方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括交直流伺服、數(shù)控、視覺伺服、液壓伺服、.氣動(dòng)伺服、機(jī)器人 伺服等系統(tǒng)）、伺服電動(dòng)機(jī)（包括永磁同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等電 機(jī)的設(shè)計(jì)、新原理

2、、新材料、新結(jié)構(gòu)和電機(jī)磁場(chǎng)與性能分析及軟件分析平臺(tái)）、伺服控制 前沿技術(shù)、行業(yè)信息、應(yīng)用案例、伺服器件、傳感器、工業(yè)通信、新產(chǎn)品等關(guān)于伺服控制 系統(tǒng)的知識(shí)。2.伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1 概念用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服控制系統(tǒng)。又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下， 伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使 輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋 控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。2.2 指標(biāo)要求（1）系統(tǒng)精度要高伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概

3、 括為動(dòng)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個(gè)方面組成。在伺服控制系統(tǒng)中一般系統(tǒng)精度越高 越好。（2）穩(wěn)定性要好伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀 態(tài)的能力;或者當(dāng)給系統(tǒng)一個(gè)新的輸入指令后,系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力，在實(shí)際 運(yùn)用中我們希望系統(tǒng)的這一能力越強(qiáng)越好。（3）響應(yīng)速度要快響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度，決定了系統(tǒng)的工作效率.響應(yīng) 速度與許多因素有關(guān),如計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。在生產(chǎn)運(yùn)用中我們 希望響應(yīng)速度是越快越好。（4）工作頻率范圍要寬工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號(hào)的頻率范圍.當(dāng)工作頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)能夠 按

4、技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號(hào)時(shí)，體統(tǒng)不能正常工作。根據(jù)我們的實(shí)際需求我們 希望一個(gè)系統(tǒng)的工作頻率的范圍要比較寬，這樣才能將伺服控制系統(tǒng)用于實(shí)際生產(chǎn)。 2.3體系架構(gòu)2.3.1 分類伺服系統(tǒng)按所用驅(qū)動(dòng)元件的類型可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，機(jī)電伺服 系統(tǒng)又分步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱 交流電機(jī)）伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺 服系統(tǒng)等。（1）開環(huán)系統(tǒng)它主要由驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行元件和機(jī)床3大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)， 通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大

5、功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化 為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的信號(hào)。（2）閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)床5部分組成。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件將機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給 比較環(huán)節(jié)。常見的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通 常把安裝在絲杠上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。 由于絲杠和工作臺(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在， 半 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào) 和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺

6、服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，控制執(zhí)行 元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反 饋檢測(cè)方式，閉環(huán)（半閉環(huán)）系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值 比較伺服系統(tǒng)3種。2.3.2 伺服的三個(gè)環(huán)控制伺服一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是 3個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的 PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電 機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接 近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測(cè)的電機(jī)編碼器的

7、信號(hào)來進(jìn)行負(fù)反饋 PID調(diào)節(jié)，它的環(huán) 內(nèi)PID輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)， 換 句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí) 系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的相應(yīng)控制。第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部 控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有3個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng) 運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。3 .伺服控制系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的區(qū)別運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是指運(yùn)動(dòng)單元以非常準(zhǔn)確的設(shè)定速度在

8、規(guī)定的時(shí)間到達(dá)準(zhǔn)確位置 的可控運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)你中主要以速度、位置等為被控量，被控對(duì)象主要是直流電 動(dòng)機(jī)，一般以電流和速度作為系統(tǒng)的反饋檢測(cè)量。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中包含了伺服控制系統(tǒng)這 一類別。而伺服控制系統(tǒng)中主要以位置或位移作為被控量，被控對(duì)象主要是交流電動(dòng)機(jī)， 一般以電流、速度和位移作為反饋檢測(cè)量。4 .現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)以交流伺服系統(tǒng)為主，在這里主要談?wù)劷涣魉欧到y(tǒng)?，F(xiàn)代交流伺 服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速 度和位置控制；采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如 IR推出的伺服控制專用引

9、擎)也不足為奇。國(guó)際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會(huì)換代，新的功率 器件或模塊每22.5年就會(huì)更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越 來越短?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場(chǎng)需求的變化，可以看到以 下一些最新發(fā)展趨勢(shì)。其一，服電機(jī)自身是具有一定的非線性、強(qiáng)耦合性及時(shí)變性的“系統(tǒng)”，同時(shí)伺服對(duì) 象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控 制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一 些先進(jìn)的“復(fù)合型控制策略”以改進(jìn)“控制器”性能是當(dāng)前發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的一 個(gè)主要“突破口”。其二，電動(dòng)機(jī)、反饋、控制、驅(qū)

10、動(dòng)、通訊的縱向一體化成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的一 個(gè)發(fā)展方向。有時(shí)我們稱這種集成了驅(qū)動(dòng)和通訊的電機(jī)叫智能化電機(jī)(Smart Motor),有 時(shí)我們把集成了運(yùn)動(dòng)控制和通訊的驅(qū)動(dòng)器叫智能化伺服驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和控制的集成 使三者從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、維護(hù)都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術(shù)挑 戰(zhàn)（如可靠性）和工程師使用習(xí)慣的挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個(gè)伺服市場(chǎng)中是一個(gè)很 小的有特色的部分。其三，實(shí)現(xiàn)其通用化通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶在 不改變硬件配置的條件下,方便地設(shè)置成V/F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁 通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制及再

11、生單元等五種工作方式，適用于各種場(chǎng)合， 可以驅(qū)動(dòng)不同類型的電機(jī)，比如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，也 可以適應(yīng)不同的傳感器類型甚至無位置傳感器?？梢允褂秒姍C(jī)本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán) 控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。其四，實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化和模塊化，隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保 護(hù)技術(shù)（問題發(fā)生的時(shí)候判斷原因并采取措施避免故障擴(kuò)大化）已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌 入了預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，使得人們可以通過Internet及時(shí)了解重要技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)， 并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負(fù)載變化時(shí)評(píng)估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度

12、 升高時(shí)監(jiān)視溫度傳感器，以及對(duì)電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。綜上所述，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、電力半導(dǎo)體和電機(jī)制造技術(shù)取得巨大技術(shù)進(jìn)步，永 磁交流伺服系統(tǒng)也將具有更加美好的發(fā)展前景。5 .對(duì)伺服控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)在這里我也不具體談伺服控制系統(tǒng)的某項(xiàng)技術(shù)或某方面的內(nèi)容，我就大概總結(jié)一下我 對(duì)伺服控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的一些看法。自20世紀(jì)80年代后期以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)作為工業(yè)設(shè)備的重要驅(qū)動(dòng) 源之一的伺服系統(tǒng)提出了越來越高的要求，研究和發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外同 仁的共識(shí)。有些努力已經(jīng)取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作電機(jī)材料的 性能，改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高逆變器和檢測(cè)元件性能、精度

13、等研究方向和努力。“軟形式” 上存在從控制策略的角度著手提高伺服系統(tǒng)性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法” 估計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的“無速度傳感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技術(shù)改進(jìn)PMSM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和性能，以通過消除/削弱因齒槽轉(zhuǎn)矩所造成的PMSM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響； 采用基于現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的具有將強(qiáng)魯棒性的滑模控制策略以提高系統(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng) 的自適應(yīng)能力；在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上進(jìn)入非線性和自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法以提高系統(tǒng)對(duì)非線性 負(fù)載類的調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力；基于智能控制的電機(jī)參數(shù)和模型識(shí)別，以及負(fù)載特性識(shí)別。對(duì)于發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服 電機(jī)、逆變器以相應(yīng)反饋檢測(cè)裝置等性能的提高受到許多客觀因數(shù)的制約；而以“軟形式” 存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發(fā)展，尤其智能控制的興起和 不斷成熟，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得基于智能控制的先進(jìn)控制策略 和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實(shí)現(xiàn)，并為其實(shí)際應(yīng)用奠定了物質(zhì)基 礎(chǔ)。伺服電機(jī)自身是具有一定的非線性、強(qiáng)耦合性及時(shí)變性的“系統(tǒng)”，同時(shí)伺服對(duì)象也 存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策 略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理