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)（servo system）亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種，它用來(lái)控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角（或位移），使其能自動(dòng)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(chǎng)合也可以用開(kāi)環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。在實(shí)際應(yīng)用中一般以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系 統(tǒng)，例如數(shù)控 機(jī)床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求 具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大等特點(diǎn)，這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。其基本工作原理和普通的交直流 電機(jī) 沒(méi)有什么不同。該類電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)單元稱為伺服驅(qū) 動(dòng)單元，有時(shí)簡(jiǎn)稱為伺服，一般其內(nèi)部包括轉(zhuǎn)矩（電流）、速度和/

2、或位置閉環(huán)。其工作原理簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在開(kāi)環(huán)控制的交直流電機(jī)的基礎(chǔ)上將速度和位置信號(hào)通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器、 旋轉(zhuǎn)變壓器等反 饋給驅(qū)動(dòng)器做閉環(huán)負(fù)反饋的 PID調(diào)節(jié)控制。 再加上驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流閉環(huán)，通過(guò)這3個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的輸出對(duì)設(shè)定值追隨的準(zhǔn)確性和時(shí)間響應(yīng)特性都提高很 多。伺服系統(tǒng)是個(gè)動(dòng)態(tài)的隨動(dòng)系統(tǒng)，達(dá)到的穩(wěn)態(tài)平衡也是 動(dòng)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(hù)單元；檢測(cè)器單元；數(shù) 字 控制器單元；接口單元。相對(duì)應(yīng)伺服系統(tǒng)由外到內(nèi)的”位置、 速度、轉(zhuǎn)矩三個(gè)閉環(huán)，伺服系統(tǒng)一般分為三種控制方式。在使用位置控制方式時(shí)，

3、伺服完成所有的三個(gè)閉環(huán)的控制。在使用速度控制方式時(shí)，伺服完成速度和扭矩(電 流)兩 個(gè)閉環(huán)的控制。一般來(lái)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(jī)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(gè)目標(biāo)扭矩 值，多用在單 一的扭矩控制場(chǎng)合，比如在小角度裁斷機(jī)中， 一個(gè)電機(jī)用速度或位置控制方式，用來(lái)向前傳送材料，另一個(gè)電機(jī)用作扭矩控制方式，用來(lái)形成恒定的張力。伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)源自 servomechanism system ，系指經(jīng)由閉回 路控制方式達(dá)到一個(gè)機(jī)械

4、系統(tǒng)位置、速度、或加速度控制 的系統(tǒng)。一個(gè)伺 服系統(tǒng)的構(gòu)成通常包含受控體 (plant)、致 動(dòng)器(actuator)、控制器(controller)等幾個(gè)部分，受控體系 指被控制的物件，例如一格機(jī)械手臂，或是一個(gè)機(jī)械工作平臺(tái)。致動(dòng)器的功能在於主要提供受控體的動(dòng)力，可能以氣壓、油壓、或是電力驅(qū)動(dòng)的方式呈現(xiàn)，若是采用油壓驅(qū) 動(dòng)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(dòng)方式，致動(dòng)器包含了馬達(dá)與功率放大器，特 別設(shè)計(jì)應(yīng)用於伺服系統(tǒng)的馬達(dá)稱之為伺服馬達(dá) (servo motor)，通常內(nèi)含位置回授裝置，如光電編碼器(opticalencoder)或是解角器(resolver)

5、 ，目前主要應(yīng)用於工業(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)。控制 器的功能 在於提供整個(gè)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(dòng)器 (servo drive)通常包含了控制器與功率放大器。一個(gè)傳統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成如圖1所示，伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)，控制界面采用10V的類比訊號(hào)，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(dòng)器，通常必 須再加上一個(gè)位置控制器 (positi

6、on controller)，才能完成位 置控制。圖2所示是一個(gè)現(xiàn)代的伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)圖，其 中的伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)。圖1. 一個(gè)傳統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成 圖2.現(xiàn)代伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精密伺服系統(tǒng)多應(yīng)用於多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如工業(yè) 機(jī) 器人、工具機(jī)、電子零件組裝系統(tǒng)、 PCB自動(dòng)差建機(jī)等 等。圖3所示是一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的方塊圖，工作物件的 位置控 制可藉由平臺(tái)的移動(dòng)來(lái)達(dá)成，平臺(tái)位置的偵測(cè)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

7、的，因此也稱之為間接位置控制(indirect position control)。另一種方式是直接將位置感測(cè)元 件安裝 在平臺(tái)上，如光學(xué)尺、雷射位置感測(cè)計(jì)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 (direct position control)。一個(gè) 多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高階的運(yùn)動(dòng)控制器(motion controller)與低階的伺服驅(qū)動(dòng)器(servo drive)所組成，運(yùn)動(dòng) 控制器負(fù)責(zé) 運(yùn)動(dòng)控制命令解碼、各個(gè)位置控制軸彼此間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)伺服馬達(dá)的位置控制，主

8、 要關(guān)鍵在於降低伺服軸的追隨誤差。圖5所示是一個(gè)雙軸運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化控制方塊圖，在一般的情況下x-軸與y-軸的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)特性會(huì)有相當(dāng)大的差異，在高速輪廓控制時(shí) (contouring control)，會(huì)造成顯著的誤差，因此必須設(shè)計(jì)一 個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器以整體考量的觀點(diǎn)解決此一問(wèn)題。圖3.雙軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 圖4.雙軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(dòng)器的系統(tǒng)方塊圖圖11.交流伺服驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)架構(gòu)圖 圖12.泛用型伺服驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)架構(gòu)圖

9、圖13.一個(gè)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. 一個(gè)典型的多回路直流伺服系統(tǒng)控制方塊圖 圖16.實(shí)用的工業(yè)數(shù)位伺服控制法則圖17.伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的硬體電路圖(Tl Application Note)The Resolver ? 6? 1 The resolver is essentially a rotating transformer ? 6? 1 Very rugged device - no electronic or optical

10、components ? 6? 1 Provides absolute position within a revolution ? 6? 1 Frameless resolvers mount directly on the motor shaft without the need for couplings ? 6? 1 Preferred solution for general purpose applications Excitation Sine Cosine Three Primary Control Variables Position Velocity Torque Clos

11、ed Loop Control FEEDBACK Compensator Commanded Velocity Drive Actual Velocity Velocity Error + - Motor FB Velocity Feedback The Position Servo Compensator Commanded Position Drive Actual Position Position Error + - Motor FB Position Feedback The Three Loops Position Velocity Torque伺服驅(qū)動(dòng)器控制原理圖 Velocit

12、y Command To Inner Loop Actual Position Motor FB + - + - + - Pcomp Vcomp Icomp Actual Velocity Current Command To Inner Loop Vder* Actual Current + Motor FB + - Vcomp Icomp Vderived - Pderived Controller Drive Current Limit Velocity Command Position Feedback + -Pcomp Vff + + Velocity Command Archite

13、cture 2速度控制結(jié)構(gòu) 2 + - Pcomp Vff + Motor FB + - Vcomp Icomp Vderived - + Pderived Controller Drive Velocity Command Position Feedback Velocity Feedforward Lexium 24V Fuses Contactor Choke Motor Brake Motor Connection Brake Timing Enable Input Speed Brake Output Enable Power Section Emergency Stop - Pre

14、ferred Lexium 24V Fuses Contactor Motor 3 Phase Contactor Dynamic Braking Resistors Motor Feedback Options Encoder Resolver Motor Overtemperature Lexium 24V Fuses Contactor Motor Feedback and Overtemperature Power Internal Memory Working Memory Non Volatile Defaults The Step Response ? 6? 1 How a co

15、ntrol loop responds to a small step change is a good indicator of how well the system has been tuned ? 6? 1 The rise-time (tr) is shorter if the bandwidth is high ? 6? 1 The higher the proportional gain the higher the bandwidth ? 6? 1 The red curve shows some ringing and indicates that we are starti

16、ng to see some phase shift. The green curve shows a critically damped control loop with close to the ideal response ? 6? 1 In practice a small amount of ringing is acceptable since the rise-time is a little shorter i.e. faster response Time Actual Velocity Ringing TrTuning - The Golden Rules ? 6? 1

17、Command the System to Do Only What it is Capable of If the motor and drive is incorrectly sized for the desired motion profile no amount of tuning will yield the desired results ? 6? 1 Tune Inside Out Tt is essential to tune the inner loops first. A common mistake is to have a low bandwidth, poorly

18、tuned velocity loop then try to tune the position loop. The position loop can never be properly tuned because of the phase shift in the inner loop ? 6? 1 Proper Grounding and Shielding - Great care must be taken in following the grounding and shielding procedures in the installation manual. If there

19、 is excessive system noise the system must be detuned (low bandwidth) so that it is not excited by high frequency noise ? 6? 1 Robust Mechanical Design -Ensure that there is minimum flexibility in the mechanical system and that couplings are tight. Without a good mechanical design, resonances will b

20、e introduced which again force system detuning Velocity Control Architecture + + - P+l P+l Vderived - Pderived Position Feedback Proportional Plus Integral Velocity Loop Position Control Architecture + - P+I Vff + + - P P+I Vderived - + Pderived Position Feedback Proportional Velocity Loop Oscillosc

21、ope Time VelocityOscilloscope Operating Modes ? 6? 1 Reversing - step change in velocity ? 6? 1 Constant speed ? 6? 1 Constant torque ? 6? 1 Constant current The Current Loop ? 6? 1 The current loop is configured automatically when the motor is selected. It is usually not necessary to modify paramet

22、ers. Optimizing Velocity Loop Step Response ? 6? 1 Proportional Gain -Higher proportional gain results in faster rise time but more overshoot and ringing. The optimum response is a small amount of overshoot with minimal ringing ? 6? 1 Integral Gain -Higher integral gain improves immunity to disturba

23、nces but increases ringing.In a high friction system the integral gain can be increased more significantly Time Velocity The Position Loop ? 6? 1 The integral term moves from the velocity loop to the position loop. It should normally be increased 2-3 times the value from the optimized speed loop. A

24、higher integral gain reduces following error but increases ringing ? 6? 1 The proportional gain may require no adjustment. A higher gain reduces following error bu increases ringing ? 6? 1 Following error is significantly reduced by Vff which normally requires no adjustment from the default第二部分：伺服電機(jī)

25、的工作原理無(wú)刷永磁電機(jī)原理圖RotorMagnets 3 Phase Stator Windings Phase A Phase B Phase CMotor Inertia m F Force = mass x linear acceleration J TTorque = inertia x angular acceleration Step 2 Step 3 Step4 Step 1 步進(jìn)電機(jī)原理圖Servo/Stepper ComparisonFeature Servo Stepper Torque/Speed Excellent Limited Efficiency High Low

26、 Position Information Yes Possible Lost Steps Ease of Use Requires Tuning Very Simple Settling Time Excellent Poor to Fair Cost Higher Lower Position Resolution High Limited Resonances Low High Velocity Ripple Excellent Poor Runaway Take Precautions Inherently Safe DC Permanent Magnet Motor - Theory

27、 of Operation N S + _ Magnetic Field Around Rotor Coil Permanent Magnet Stator Brush Commutator Rotor Coils Multiple Poles and Coils S N S N S N Feedback Devices Explain the feedbackDiscussconcepts of resolution, accuracy and repeatabilityresolvers and encoders and how they workCompare feedback opti

28、ons and review relative benefitsResolution Higher Resolution Lower Resolution Accuracy Higher Accuracy Lower Accuracy ? 6? 1 Accuracy defines how close each measured position is to the actual physical position ? 6? 1 The higher accuracy example has a tighter tolerance for the placement of each incre

29、mentRepeatability High Repeatability ? 6? 1 In the example above, the accuracy is poor but the repeatability is good Incremental, Absolute and Multiturn Position Change Actual Position Within Revolution Incremental Absolute Multiturn Actual Position Over Multiple Revolutions The Incremental Encoder

30、Sensor 1 Sensor 2 Moving Disk Light Source Sensor 1 Sensor 2 ? 6? 1 The encoder uses optical scanning of a fine grating in the form of a moving disc ? 6? 1 The incremental encoder can only measure position changes ? 6? 1 Digital pulse ouputs are typically provided which can be counted by the control

31、ler ? 6? 1 A third sensor is often used to generate a marker pulse at a specific position within a revolution The Absolute Encoder ? 6? 1 The absolute encoder has multiple disks which completely define position within a revolution ? 6? 1 With mechanical gearing of the disk to another moving disk it

32、is possible to define position over multiple revolutions ? 6? 1 The encoder interface to the is typically Endat/Hyperface or SSI總結(jié)？ 6? 1交流伺服電機(jī)通常都是單相異步電動(dòng)機(jī)， 有鼠籠形轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)？ 6? 1形式。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) ? 6? 1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。固定和保 ？ 6? 1護(hù)定子的機(jī)座一般用硬鋁 或不銹鋼制成?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子和普？ 6? 1通三相籠

33、式電機(jī)相同。杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 3-12由外定子4，杯？ 6? 1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(jī)相同，？ 6? 1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) ？ 6? 1軸7上。空心杯的壁很?。ㄐ∮?0.5mm ），因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小。內(nèi)定子由硅鋼？ 6? 1片疊壓而成，固定在一個(gè)端蓋 1、8上，內(nèi)定子上沒(méi)有繞組，僅 作磁路用。電？ 6? 1機(jī)工作時(shí)，內(nèi)、外定子都不動(dòng)，只有 杯形轉(zhuǎn)子在內(nèi)、外定子之間的氣隙中轉(zhuǎn)？ 6? 1動(dòng)。對(duì)于輸出功率較小的交流伺服電機(jī)，常將勵(lì)磁繞組和控制繞組分別 安放？ 6? 1在內(nèi)、外定子鐵心的槽內(nèi)。交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)？ 6? 1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? 6? 1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 ？ 6? 1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)？ 6? 1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)。？ 6? 1當(dāng)電機(jī)原來(lái)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此 時(shí)只有勵(lì)磁繞組 ？ 6? 1通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)。可以把脈動(dòng)磁 場(chǎng)看成兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)圓形旋？ 6?