伺服系統(tǒng)工作原理解讀

1、第一部分：伺服系統(tǒng)的工作原理伺服系統(tǒng)（servosystem）亦稱隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)中的一種，它用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角（或位移），使其能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)規(guī)輸入指令的變化規(guī)律。它通常是具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場合也可以用開環(huán)控制來實現(xiàn)其功能。在實際應(yīng)用中一般以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動慣量較大等特點，這類專用的電機稱為伺服電機。其基本工作原理和普通的交直流電機沒有什么不同。該類電機的專用驅(qū)動單元稱為伺服驅(qū)動單元，有時簡稱為伺服，一般其內(nèi)部包括轉(zhuǎn)矩（電流）、速度和/或位置閉環(huán)。其工作原

2、理簡單的說就是在開環(huán)控制的交直流電機的基礎(chǔ)上將速度和位置信號通過旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等反饋給驅(qū)動器做閉環(huán)負(fù)反饋的PID調(diào)節(jié)控制。再加上驅(qū)動器內(nèi)部的電流閉環(huán)，通過這3個閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機的輸出對設(shè)定值追隨的準(zhǔn)確性和時間響應(yīng)特性都提高很多。伺服系統(tǒng)是個動態(tài)的隨動系統(tǒng)，達(dá)到的穩(wěn)態(tài)平衡也是動態(tài)的平衡。全數(shù)字伺服系統(tǒng)一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三環(huán)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件大致由以下幾部分組成：電源單元；功率逆變和保護單元；檢測器單元；數(shù)字控制器單元；接口單元。相對應(yīng)伺服系統(tǒng)由外到內(nèi)的"位置"、"速度"、"轉(zhuǎn)矩"三個閉環(huán)，伺服系統(tǒng)一般分為三種控制

3、方式。在使用位置控制方式時，伺服完成所有的三個閉環(huán)的控制。在使用速度控制方式時，伺服完成速度和扭矩(電流)兩個閉環(huán)的控制。一般來講，我們的需要位置控制的系統(tǒng)，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式,只是上位機的處理不同。另外，有人認(rèn)為位置控制方式容易受到干擾。而扭矩控制方式是伺服系統(tǒng)只進(jìn)行扭矩的閉環(huán)控制，即電流控制，只需要發(fā)送給伺服單元一個目標(biāo)扭矩值，多用在單一的扭矩控制場合，比如在小角度裁斷機中,一個電機用速度或位置控制方式，用來向前傳送材料，另一個電機用作扭矩控制方式，用來形成恒定的張力。伺服機構(gòu)系統(tǒng)源自servomechanismsystem，系指經(jīng)由閉回路控制方式達(dá)到一個

4、機械系統(tǒng)位置、速度、或加速度控制的系統(tǒng)。一個伺服系統(tǒng)的構(gòu)成通常包含受控體(plant)、致動器(actuator)、控制器(controller)等幾個部分，受控體系指被控制的物件，例如一格機械手臂，或是一個機械工作平臺。致動器的功能在於主要提供受控體的動力，可能以氣壓、油壓、或是電力驅(qū)動的方式呈現(xiàn)，若是采用油壓驅(qū)動方式，一般稱之為油壓伺服系統(tǒng)。目前絕大多數(shù)的伺服系統(tǒng)采用電力驅(qū)動方式，致動器包含了馬達(dá)與功率放大器，特別設(shè)計應(yīng)用於伺服系統(tǒng)的馬達(dá)稱之為伺服馬達(dá)(servomotor)，通常內(nèi)含位置回授裝置，如光電編碼器(opticalencoder)或是解角器(resolver)，目前主要應(yīng)用於工

5、業(yè)界的伺服馬達(dá)包括直流伺服馬達(dá)、永磁交流伺服馬達(dá)、與感應(yīng)交流伺服馬達(dá)，其中又以永磁交流伺服馬達(dá)占絕大多數(shù)?？刂破鞯墓δ茉陟短峁┱麄€伺服系統(tǒng)的閉路控制，如扭矩控制、速度控制、與位置控制等。目前一般工業(yè)用伺服驅(qū)動器(servodrive)通常包含了控制器與功率放大器。一個傳統(tǒng)伺服機構(gòu)系統(tǒng)的組成如圖1所示，伺服驅(qū)動器主要包含功率放大器與伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器與扭矩控制器，馬達(dá)通常提供類比式的速度回授信號，控制界面采用土10V的類比訊號，經(jīng)由外回路的類比命令，可直接控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速或扭矩。采用這種伺服驅(qū)動器，通常必須再加上一個位置控制器(positioncontroller)，才能完成

6、位置控制。圖2所示是一個現(xiàn)代的伺服機構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)圖，其中的伺服驅(qū)動器包含了伺服控制器與功率放大器，伺服馬達(dá)提供解析度的光電編碼器回授信號。圖1.一個傳統(tǒng)伺服機構(gòu)系統(tǒng)的組成圖2.現(xiàn)代伺服機構(gòu)系統(tǒng)的組成多軸運動控制系統(tǒng)精密伺服系統(tǒng)多應(yīng)用於多軸運動控制系統(tǒng)，如工業(yè)機器人、工具機、電子零件組裝系統(tǒng)、PCB自動差建機等等。圖3所示是一個運動控制平臺的方塊圖，工作物件的位置控制可藉由平臺的移動來達(dá)成，平臺位置的偵測有兩種方式，一種是藉由伺服馬達(dá)本身所安裝的光電編碼器，由於是以間接的方式回授工作物件的位置，再藉由閉回路控制達(dá)到位置控制的目的，因此也稱之為間接位置控制(indirectpositioncontr

7、ol)。另一種方式是直接將位置感測元件安裝在平臺上，如光學(xué)尺、雷射位置感測計等等，直接回授工作物件的位置，再藉由閉回路控制達(dá)到位置控制的目的，稱之為直接位置控制(directpositioncontrol)。一個多軸運動控制系統(tǒng)由高階的運動控制器(motioncontroller)與低階的伺服驅(qū)動器(servodrive)所組成，運動控制器負(fù)責(zé)運動控制命令解碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等，其主要關(guān)鍵在於降低整體系統(tǒng)運動控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動器負(fù)責(zé)伺服馬達(dá)的位置控制，主要關(guān)鍵在於降低伺服軸的追隨誤差。圖5所示是一個雙軸運動控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖，在一般的情況下x-軸與

8、y-軸的動態(tài)響應(yīng)特性會有相當(dāng)大的差異，在高速輪廓控制時(contouringcontrol)，會造成顯著的誤差，因此必須設(shè)計一個運動控制器以整體考量的觀點解決此一問題。圖3.雙軸運動控制系統(tǒng)圖4.雙軸運動控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖圖5.網(wǎng)路控制分散式伺服系統(tǒng)圖6.伺服系統(tǒng)的整合圖7.伺服系統(tǒng)的階層式控制架構(gòu)圖8.伺服系統(tǒng)的環(huán)狀多回路控制架構(gòu)圖9.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的階層式控制介面圖10直流伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)方塊圖圖11交流伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)架構(gòu)圖圖12.泛用型伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)架構(gòu)圖圖13一個典型閉回路控制系統(tǒng)的方塊圖圖14.伺服系統(tǒng)的環(huán)狀多回路控制架構(gòu)圖15.個典型的多回路直流伺服系統(tǒng)控制方塊圖圖16實用

9、的工業(yè)數(shù)位伺服控制法則圖17.伺服馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)的自調(diào)控制架構(gòu)圖18數(shù)位馬達(dá)控制技術(shù)的演進(jìn)圖19以DSP為核心的伺服系統(tǒng)解決方案圖20.DSP數(shù)位伺服驅(qū)動器的硬體電路圖(TIApplicationNote)TheResolver61Theresolverisessentiallyarotatingtransformer61Veryruggeddevice-noelectronicoropticalcomponents61Providesabsolutepositionwithinarevolution61Framelessresolversmountdirectlyonthemotorshaft

10、withouttheneedforcouplings61PreferredsolutionforgeneralpurposeapplicationsExcitationSineCosineThreePrimaryControlVariablesPositionVelocityTorqueClosedLoopControlFEEDBACKCompensatorCommandedVelocityDriveActualVelocityVelocityError+-MotorFBVelocityFeedbackThePositionServoCompensatorCommandedPositionDr

11、iveActualPositionPositionError+-MotorFBPositionFeedbackTheThreeLoopsPositionVelocityTorque伺服驅(qū)動器控制原理圖VelocityCommandToInnerLoopActualPositionMotorFB+-+-+-PcompVcompIcompActualVelocityCurrentCommandToInnerLoopVder*ActualCurrent+MotorFB+-VcompIcompVderived-PderivedControllerDriveCurrentLimitVelocityCom

12、mandPositionFeedback+-PcompVff+VelocityCommandArchitecture2速度控制結(jié)構(gòu)2+-PcompVff+MotorFB+-VcompIcompVderived-+PderivedControllerDriveVelocityCommandPositionFeedbackVelocityFeedforwardLexium24VFusesContactorChokeMotorBrakeMotorConnectionBrakeTimingEnableInputSpeedBrakeOutputEnablePowerSectionEmergencySto

13、p-PreferredLexium24VFusesContactorMotor3PhaseContactorDynamicBrakingResistorsMotorFeedbackOptionsEncoderResolverMotorOvertemperatureLexium24VFusesContactorMotorFeedbackandOvertemperaturePowerInternalMemoryWorkingMemoryNonVolatileDefaultsTheStepResponse61Howacontrollooprespondstoasmallstepchangeisago

14、odindicatorofhowwellthesystemhasbeentuned61Therise-time(tr)isshorterifthebandwidthishigh61Thehighertheproportionalgainthehigherthebandwidth61TheredcurveshowssomeringingandindicatesthatwearestartingtoseesomephaseshiftThegreencurveshowsacriticallydampedcontrolloopwithclosetotheidealresponse61Inpractic

15、easmallamountofringingisacceptablesincetherise-timeisalittleshorteri.e.fasterresponseTimeActualVelocityRingingTrTuning-TheGoldenRules61CommandtheSystemtoDoOnlyWhatitisCapableof一Ifthemotoranddriveisincorrectlysizedforthedesiredmotionprofilenoamountoftuningwillyieldthedesiredresults61TuneInsideOut一Iti

16、sessentialtotunetheinnerloopsfirst.Acommonmistakeistohavealowbandwidth,poorlytunedvelocityloopthentrytotunethepositionloop.Thepositionloopcanneverbeproperlytunedbecauseofthephaseshiftintheinnerloop61ProperGroundingandShielding-Greatcaremustbetakeninfollowingthegroundingandshieldingproceduresintheins

17、tallationmanual.Ifthereisexcessivesystemnoisethesystemmustbedetuned(lowbandwidth)sothatitisnotexcitedbyhighfrequencynoise61RobustMechanicalDesign-Ensurethatthereisminimumflexibilityinthemechanicalsystemandthatcouplingsaretight.Withoutagoodmechanicaldesign,resonanceswillbeintroducedwhichagainforcesys

18、temdetuningVelocityControlArchitecture+-P+IP+IVderived-PderivedPositionFeedbackProportionalPlusIntegralVelocityLoopPositionControlArchitecture+-P+IVff+-PP+IVderived-+PderivedPositionFeedbackProportionalVelocityLoopOscilloscopeTimeVelocityOscilloscopeOperatingModes61Reversing-stepchangeinvelocity61Co

19、nstantspeed61Constanttorque61ConstantcurrentTheCurrentLoop61ThecurrentloopisconfiguredautomaticallywhenthemotorisselectedItisusuallynotnecessarytomodifyparametersOptimizingVelocityLoopStepResponse61ProportionalGain-Higherproportionalgainresultsinfasterrisetimebutmoreovershootandringing.Theoptimumres

20、ponseisasmallamountofovershootwithminimalringing61IntegralGain-Higherintegralgainimprovesimmunitytodisturbancesbutincreasesringing.InahighfrictionsystemtheintegralgaincanbeincreasedmoresignificantlyTimeVelocityThePositionLoop61TheintegraltermmovesfromthevelocitylooptothepositionloopItshouldnormallyb

21、eincreased2-3timesthevaluefromtheoptimizedspeedloopAhigherintegralgainreducesfollowingerrorbutincreasesringing61Theproportionalgainmayrequirenoadjustment.Ahighergainreducesfollowingerrorbuincreasesringing61FollowingerrorissignificantlyreducedbyVffwhichnormallyrequiresnoadjustmentfromthedefault第二部分：伺

22、服電機的工作原理無刷永磁電機原理圖RotorMagnets3PhaseStatorWindingsPhaseAPhaseBPhaseCMotorInertiamFForce=massxlinearaccelerationJTTorque=inertiaxangularaccelerationStep2Step3Step4 Step1步進(jìn)電機原理圖Servo/StepperComparisonFeatureServoStepperTorque/SpeedExcellentLimitedEfficiencyHighLowPositionInformationYesPossibleLostSteps

23、EaseofUseRequiresTuningVerySimpleSettlingTimeExcellentPoortoFairCostHigherLowerPositionResolutionHighLimitedResonancesLowHighVelocityRippleExcellentPoorRunawayTakePrecautionsInherentlySafeDCPermanentMagnetMotor-TheoryofOperationN5 +_MagneticFieldAroundRotorCoilPermanentMagnetStatorBrushCommutatorRot

24、orCoilsMultiplePolesandconceptsofresolution,accuracyandrepeatabilityresolversandencodersandhowtheyworkResolutionHigherResolutionLowerResolutionAccuracyHigherAccuracyLowerAccuracy61Accuracydefineshowcloseeachmeasuredpositionistotheactualphysicalposition61Thehigheraccuracyexamplehasatightertoleraneefo

25、rtheplacementofeachincrementRepeatabilityHighRepeatability61Intheexampleabove,theaccuracyispoorbuttherepeatabilityisgoodIncremental,AbsoluteandMultiturnPositionChangeActualPositionWithinRevolutionIncrementalAbsoluteMultiturnActualPositionOverMultipleRevolutionsTheIncrementalEncoderSensor1Sensor2Movi

26、ngDiskLightSourceSensor1Sensor261Theencoderusesopticalscanningofafinegratingintheformofamovingdisc61Theincrementalencodercanonlymeasurepositionchanges61Digitalpulseouputsaretypicallyprovidedwhichcanbecountedbythecontroller61Athirdsensorisoftenusedtogenerateamarkerpulseataspecificpositionwithinarevol

27、utionTheAbsoluteEncoder61Theabsoluteencoderhasmultiplediskswhichcompletelydefinepositionwithinarevolution61Withmechanicalgearingofthedisktoanothermovingdiskitispossibletodefinepositionovermultiplerevolutions61TheencoderinterfacetotheistypicallyEndat/HyperfaceorSSI總結(jié)61交流伺服電機通常都是單相異步電動機，有鼠籠形轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)

28、構(gòu)61形式。與普通電機一樣，交流伺服電機也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個61繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差90°電角度。固定和保61護定子的機座一般用硬鋁或不銹鋼制成?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電機的轉(zhuǎn)子和普61通三相籠式電機相同。杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機的結(jié)構(gòu)如圖3-12由外定子4,杯61形轉(zhuǎn)子3和內(nèi)定子5三部分組成。它的外定子和籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機相同，61轉(zhuǎn)子則由非磁性導(dǎo)電材料（如銅或鋁）制成空心杯形狀，杯子底部固定在轉(zhuǎn)61軸7上?？招谋谋诤鼙。ㄐ∮?.5mm），因此轉(zhuǎn)動慣量很小。內(nèi)定子由硅鋼61片疊壓而成，固定在一個端蓋1、8上，內(nèi)定子上沒有繞組，僅作磁路用。電61機工作

29、時，內(nèi)、外定子都不動，只有杯形轉(zhuǎn)子在內(nèi)、外定子之間的氣隙中轉(zhuǎn)61動。對于輸出功率較小的交流伺服電機，常將勵磁繞組和控制繞組分別安放61在內(nèi)、外定子鐵心的槽內(nèi)。交流伺服電機的工作原理和單相感應(yīng)電動機61無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流61伺服電機的所謂''自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動，特別是當(dāng)它61已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動61機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。61當(dāng)電機原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組61通電產(chǎn)生脈動磁場?？梢园衙}動磁場看成兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個圓形旋61轉(zhuǎn)磁場以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場