伺服驅(qū)動系統(tǒng)工作原理2

伺服驅(qū)動系統(tǒng)工作原理演示文稿當(dāng)前1頁，總共35頁。內(nèi)容基本概念組成部分工作原理當(dāng)前2頁，總共35頁。定義“伺服”一詞源于希臘語“奴隸(SERVO)”的意思。伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出，能夠跟隨輸入量（或給定值）的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)。伺服是指裝置跟隨指令的能力，驅(qū)動是指它能通過功率器件驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，很多時(shí)候有伺服驅(qū)動器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)的說法。當(dāng)前3頁，總共35頁。主要功能采樣：對指令、電流、速度、溫度等模擬信號進(jìn)行采樣，以便微處理單元（MCU）能對它進(jìn)行計(jì)算處理。計(jì)算：對模擬信號進(jìn)行濾波處理；根據(jù)接收的數(shù)字信號、模擬采樣結(jié)果等，進(jìn)行變換、計(jì)算及處理，得到輸出信號，用于功率驅(qū)動。當(dāng)前4頁，總共35頁。主要功能驅(qū)動控制：按照控制命令要求，對信號進(jìn)行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度及位置都能得到靈活方便的控制。通訊功能：通常有RS485、CAN、數(shù)字IO、模擬IO等接口功能，使其能和其它控制設(shè)備進(jìn)行信息交換。當(dāng)前5頁，總共35頁。主要功能編碼器接口：為了便于和編碼器的連接，一些伺服驅(qū)動器具有編碼器接口功能。旋轉(zhuǎn)變壓器接口：一些伺服驅(qū)動器的使用條件比較惡劣，要求采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為速度或位置反饋部件，此時(shí)，需要具有旋轉(zhuǎn)變壓器接口功能。當(dāng)前6頁，總共35頁。組成——以我們的伺服為例伺服驅(qū)動系統(tǒng)由機(jī)械及電子兩部分組成。機(jī)械部分是指其外殼、底板、支撐件及連接件等。電子部分包括硬件及軟件。硬件通常由控制處理電路、信號驅(qū)動電路、功率驅(qū)動電路、檢測、保護(hù)及主電路等組成。伺服系統(tǒng)的所有功能都是軟件配合硬件一起完成的。當(dāng)前7頁，總共35頁。外形圖當(dāng)前8頁，總共35頁。外形圖當(dāng)前9頁，總共35頁。接口說明三相交流電源輸入口（線電壓275V±10%）L1-L2-L3，機(jī)殼地PE；L1L2L3PE當(dāng)前10頁，總共35頁。接口說明功率輸出接口U,V,W；泄放電阻接口RB+,RB-；吸收電容接口ZK+,ZK-；機(jī)殼地PE；UVWRB+RB-ZK+ZK-PE當(dāng)前11頁，總共35頁。接口說明復(fù)位按鈕地址編碼PT100數(shù)字IO485接口LED指示燈當(dāng)前12頁，總共35頁。接口說明地址編碼：從左到右是高位到低位，能表示0-15個(gè)地址碼。數(shù)字IO：從左到右分別是OSD00和24V地。當(dāng)前13頁，總共35頁。接口說明數(shù)字IO：從左到右分別是伺服使能信號24V地，24V電源輸出，空位，模擬指令-，模擬指令+，數(shù)字輸出信號OSD01，電機(jī)報(bào)警信號MOTORALARM，伺服就緒信號SVREADY，數(shù)字輸入ISD00，ISD01，START，ENP0。當(dāng)前14頁，總共35頁。接口說明485接口：從左到右分別是伺服使能信號24V地，24V電源輸出，機(jī)殼地，模擬地，485B，485A。當(dāng)前15頁，總共35頁。接口說明LED指示燈：由紅黃綠三種顏色的指示燈的各種組合來指示伺服系統(tǒng)運(yùn)行中的狀態(tài)，詳細(xì)的說明見產(chǎn)品使用說明書。當(dāng)前16頁，總共35頁。接口說明CAN接口RS232接口旋變接口24V電源輸入當(dāng)前17頁，總共35頁。接口說明CAN接口：從左到右分別為CAN-，CAN+，模擬地。RS232接口：從左到右分別為機(jī)殼地，模擬地，232TX，232RX。旋變接口：從左到右分別為EXC+，EXC-，SIN+，SIN-，COS+，COS-，模擬地，+5V輸出。24V電源輸入，上+下-。當(dāng)前18頁，總共35頁。工作原理直流伺服的依據(jù)RLMotoru等效電路如右所示，直流電機(jī)的電壓平衡公式如右所示，R為電機(jī)繞組等效電阻，L為電機(jī)繞組等效電感，e為感應(yīng)電動勢。當(dāng)電壓平衡時(shí)，又由于電阻比較小，u≈e。e跟電機(jī)本身有關(guān)，當(dāng)電機(jī)選定后，和轉(zhuǎn)速成正比，所以，控制電壓就相當(dāng)于控制了轉(zhuǎn)速。因此，調(diào)速的依據(jù)是改變加在電機(jī)繞組上的電壓。當(dāng)前19頁，總共35頁。工作原理直流伺服的依據(jù)根據(jù)物理學(xué)的知識，我們知道，位移是速度的積分，速度是加速度的積分，為了達(dá)到快速、精確的位置控制的目的，控制器對速度和加速度都要快速準(zhǔn)確的響應(yīng)。加速度和轉(zhuǎn)矩成正比，而轉(zhuǎn)矩又正比于電流，所以，我們要設(shè)計(jì)三個(gè)控制環(huán)，分別對電流、速度和位置進(jìn)行控制。三個(gè)環(huán)的其中部分環(huán)或全部參與控制，構(gòu)成了伺服驅(qū)動器的幾種工作模式。為了能快速準(zhǔn)確的響應(yīng)，控制環(huán)都設(shè)計(jì)成閉環(huán)，即反饋控制環(huán)，如上圖所示，G(s)為被控對象的模型函數(shù)，H(s)為反饋通道的傳遞函數(shù)。r(t)輸入，u(t)是輸出。當(dāng)前20頁，總共35頁。工作原理隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)，嵌入式計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代的伺服系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)為數(shù)字伺服系統(tǒng)。數(shù)字伺服系統(tǒng)需要硬件和軟件配合來完成伺服系統(tǒng)的所需的功能。硬件是伺服系統(tǒng)的骨架，軟件是伺服系統(tǒng)的靈魂，通常，硬件是給伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能提供了條件，軟件實(shí)現(xiàn)具體的算法。當(dāng)前21頁，總共35頁。工作原理右圖是一個(gè)典型的伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件原理框圖。當(dāng)前22頁，總共35頁。工作原理伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的反饋控制系統(tǒng)，它遵循反饋控制系統(tǒng)的一般規(guī)律。下圖是一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)。r(t)為給定量，y(t)為反饋量，e(t)為誤差信號，u(t)為輸出量，G(s)為被控對象的S模型，H(s)為反饋濾波器的傳遞函數(shù)。當(dāng)前23頁，總共35頁。工作原理伺服驅(qū)動系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)成三閉環(huán)控制器，三閉環(huán)是指電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。設(shè)計(jì)成三閉環(huán)是為了達(dá)到能動態(tài)響應(yīng)的目的，電流環(huán)能快速跟蹤電流指令，速度環(huán)快速跟隨速度指令，位置環(huán)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的定位。當(dāng)前24頁，總共35頁。工作原理下圖為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的三閉環(huán)控制原理框圖；控制器包含ACR、ASR、APR三個(gè)控制環(huán)；外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入；可以達(dá)到快速響應(yīng)電流、速度和位置的目的。當(dāng)前25頁，總共35頁。工作原理設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)之一，是要設(shè)計(jì)合適的控制器（調(diào)節(jié)器）；通?？刂破髟O(shè)計(jì)為PID控制器，因?yàn)镻ID控制器適應(yīng)面廣，不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易整定，能解決過程控制中的大多數(shù)問題。當(dāng)前26頁，總共35頁。工作原理PID即比例、積分、微分控制器；比例P的作用是對誤差進(jìn)行放大，加快響應(yīng)速度；積分的作用是提高系統(tǒng)型別，消除靜態(tài)誤差；微分的作用是增加阻尼，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它對干擾很敏感，很容易帶來干擾。當(dāng)前27頁，總共35頁。工作原理穩(wěn)態(tài)誤差控制系統(tǒng)型別v=0稱為0型系統(tǒng)，v=1稱為Ⅰ型系統(tǒng)，v=2稱為Ⅱ型系統(tǒng)。設(shè)開環(huán)傳遞函數(shù)為：當(dāng)前28頁，總共35頁。工作原理例1：校正前后頻率響應(yīng)曲線對比當(dāng)前29頁，總共35頁。工作原理上圖對應(yīng)的階躍響應(yīng)圖當(dāng)前30頁，總共35頁。工作原理例2：校正前后頻率響應(yīng)曲線對比當(dāng)前31頁，總共35頁。工作原理上圖對應(yīng)的階躍響應(yīng)圖當(dāng)前32頁，總共35頁。工作原理從前面的討論可以看出，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的工作過程很簡單。首先伺服驅(qū)動系統(tǒng)要接收指令；然后，伺服裝置根據(jù)用戶選擇的工作模式（通常有力矩、速度、位置三種），執(zhí)行不同的運(yùn)算及控制；此外，伺服裝置能跟其它設(shè)備接口，根據(jù)外界的環(huán)境進(jìn)行啟停、狀態(tài)切換及保護(hù)等。當(dāng)前33頁，總共35頁。工作原理伺服驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵之處之一是設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定可靠的硬件平臺；其二是設(shè)計(jì)適合的控制器，達(dá)到快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的響應(yīng)?？刂破髟O(shè)計(jì)完以后，需要進(jìn)行參數(shù)整定。對于采用PID控制率的控制器，主要需要進(jìn)行PID參數(shù)的合理設(shè)置，還需要根據(jù)