伺服驅(qū)動系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計

1、圖3伺服電動機的轉(zhuǎn)矩特性伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案伺服電機的原理：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。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動控制的u/V/W三相電形成電磁場 轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度線數(shù)）。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機 ，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn) 換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

2、，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降作用：伺服電機，可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。交流伺服電機的工作原理和單相感應(yīng)電動機無本質(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。交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點：1起動轉(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，與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比

3、，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S01，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有 起動快、靈敏度高的特點。2、運行范圍較寬如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動機都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動機失去控制電 壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(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機的轉(zhuǎn)矩特性（圖中TS曲線）不同。這時的合成轉(zhuǎn)矩T圖4伺服

4、電動機單相運行時的轉(zhuǎn)矩特性圖5是伺服電動機單相運行時的機械特性曲線。負(fù)載一定時，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈交流伺服電動機的輸出功率一般是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。交流伺服電動機運行平穩(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機相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。速度挹令I(lǐng) f伺碾驅(qū)動系続的控制結(jié)梅框圖*機器手伺服控制系統(tǒng)設(shè)計分析變頻與伺服的關(guān)系：目前市場上變頻控制器的用途要大大的大于伺服機

5、構(gòu)，有必要搞清伺 服和變頻兩個系統(tǒng)之間的關(guān)系，以便提高可參考設(shè)計的途徑，這樣才能以最低的成本達到 設(shè)計出自己的伺服控制的目的。簡單的說：變頻只是伺服的一個部分，伺服是在變頻的基礎(chǔ)上進行閉環(huán)的精確控制 從而達到更理想的效果。我們的目標(biāo)和步驟要在變頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先解決電機的驅(qū)動問題， 達到調(diào)速目的，然后加入對反饋的采樣，設(shè)計自己的PIDPID 算法，最終完成閉環(huán)控制。當(dāng)然，這種系統(tǒng)的設(shè)計是有難度的，因為簡單的看如果系統(tǒng)完成僅僅做一個單獨的 伺服電機的控制系統(tǒng)就已經(jīng)能有一定的市場，如果系統(tǒng)簡單的話，伺服系統(tǒng)的價格應(yīng)該不是現(xiàn)在的價位！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

6、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-ACAC-DC-AC 的過程，這中間的 DC-ACDC-AC 的三相逆變技術(shù)是必須要攻克的。如果簡單的PWMPWM 電機調(diào)速使用通常的技術(shù)手段可以實現(xiàn)，但是相對高頻的（400HZ400HZ ）三相逆變需要系統(tǒng)處理要有很高的速度。其次 DSPDSP 技術(shù)的應(yīng)用需要比較高的理論基礎(chǔ)，這對我們是一種挑戰(zhàn)，合理的算法 和處理機制是實現(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)和鉆研過程是不可避免的。這中間和熟悉的技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品的差異是時間的損耗！PIDPID 的控制算

7、法是銷售伺服控制系統(tǒng)公司的技術(shù)命脈，PIDPID 算法的好壞直接決定下一步機械手系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和系統(tǒng)精度的保證。 對任何公司來說，設(shè)計專用的 PIDPID 算法都是公司技術(shù)含量最高的部分。這部分包含自動控制算法、錯誤的處理和動作判斷 以及控制方式的選擇。伺服電機的選擇：目前定型為松下400HZ36V三相交流伺服電機？（原因） 伺服電機的驅(qū)動原理：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)， 在直流電機的伺服控制的基礎(chǔ)上通 過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的， 也就是說交流伺服電機必然有變頻 的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的

8、各類晶體管（IGBT，IGCT等）通過載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于 正余弦的脈動電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機的速度就可調(diào)了（n=60f/2p,n轉(zhuǎn)速，f頻率，p極對數(shù)）。交流伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號的方式不同， 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機的種類不同， 又可分為兩種： 一種是用永磁同 步伺服電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)， 包括方波永磁同步電動機 （無刷直流機） 伺服系統(tǒng)和正弦波 永磁同步電動機伺服系統(tǒng)； 另一種是用鼠籠型異步電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。 二者的不同之處 在于永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器而感應(yīng)電動機伺服

9、系統(tǒng)中含有滑 差頻率計算部分。 若采用微處理器軟件實現(xiàn)伺服控制， 可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型 異步伺服電動機使用同一套伺服放大器。1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負(fù)載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）。可以通過即時的改變模擬量 的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小， 也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。 應(yīng)用主要 在對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的

10、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更改以確保材質(zhì)的受力不會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外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的 大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度， 也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移 進行賦值。由于位置模式可以對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)控機床、印刷機械等等。3、 速度模式： 通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制， 在有上位 控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負(fù)載 的位置信號給上位反饋以做運算用。

11、位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號， 此時的電 機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速， 位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。交流伺服電動機有以下三種轉(zhuǎn)速控制方式：幅值控制控制電流與勵磁電流的相位差保持90。不變，改變控制電壓的大小。相位控制 控制電壓與勵磁電壓的大小，保持額定值不變，改變控制電壓的相位。幅值一相位控制 同時改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓相位的反相而改變。PWM控制伺服電機控制部分框圖系統(tǒng)的設(shè)計步驟：（1）制定控制方案的技術(shù)路線，確定驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的控制電路:聲流濾液故障信號電流

12、采萍電流傳療器或采樣電阻功率板同廉電機般伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)框圖a）首先確認(rèn)使用DSP的廠家型號；b）找出使用該信號控制器驅(qū)動伺服電機的模型；（最好可以演示）c）繪制控制部分原理圖和PCB圖通過試驗手段，試驗各種控制模式下電機的運 轉(zhuǎn)；d）圭寸裝硬件及軟件模塊；（2） 本階段總結(jié)上一階段的試驗成果，吸收并進一步測試各種控制的適用范圍，制定電機控制模塊的通訊協(xié)議、控制模式和PID控制的指導(dǎo)方案：a）測試反饋信號和處理速度之間的匹配；b）封裝模塊的適用范圍測試；c）論證機械手系統(tǒng)適用的伺服電機控制方式；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）機械手綜合控制單元的功能確認(rèn)；b）人機界

13、面：按鍵和顯示單元的模塊試驗；c）通訊方式的測試和聯(lián)機調(diào)試；d）逐次增加電機的數(shù)量，測試電機的協(xié)調(diào)性動作和模塊封裝;e）電路安裝的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。（4） 綜合設(shè)計階段：a）全部硬件的綜合性能調(diào)試；b）不同控制模式和不同動作下，細(xì)致動作的準(zhǔn)確性測試；c）復(fù)雜動作的壓力測試和快速反應(yīng)的數(shù)據(jù)流量測試；d）整體功耗測試和烤機測試。（5） 聯(lián)機調(diào)試階段：脫機操作的各種動作的穩(wěn)定性測試；待機狀態(tài)的EMC測試和硬件電路的抗干擾設(shè)計驗證; 聯(lián)機狀態(tài)下的綜合動作測試及到位反饋；模擬實際現(xiàn)場的烤機測試。- 1-J11 _:1-1I I ( V | / i , / I: : :I:n ; nr rv | v 1 vi

14、;相位相1209,輸值相等的三相交流電壓波形圖第一階段所涉及到技術(shù)細(xì)節(jié)及難點分析如上圖首先要通過數(shù)學(xué)手段，模擬出三相逆變的交流400HZ控制電源；數(shù)學(xué)模型和6路3對上下臂的PWM輸出方式是這一階段的兩個難點。a)b)c)d)三相橋式電路原理圖上圖為三相逆變電路的原理圖， 但是根據(jù)此原理圖對功率模塊的測試和對稱性選擇會嚴(yán)重的阻礙項目的進度。 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)前期進度要求，同時建議使用單電源的IPM模塊。圖1 hvic內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖foTPifflJ；4GMWnviCiHY7CT1GBT,圖2單電源ipm內(nèi)部電路附錄：伺服馬達編碼器工作原理如不圖所示-輸入細(xì)上養(yǎng)右蕓琨制的編利區(qū)蠱.國盤上印刷有能聲建住光的黑魚條釵=園豈兩側(cè)有