伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理優(yōu)秀課件

1、2內(nèi)容內(nèi)容u基本概念u組成部分u工作原理3定義定義u“伺服”一詞源于 希臘語(yǔ)“奴隸(SERVO)”的意思 。u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(dòng)控制系統(tǒng)。u伺服是指裝置跟隨指令的能力，驅(qū)動(dòng)是指它能通過(guò)功率器件驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，很多時(shí)候有伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的說(shuō)法。4主要功能主要功能u采樣：對(duì)指令、電流、速度、溫度等模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，以便微處理單元（MCU）能對(duì)它進(jìn)行計(jì)算處理。u計(jì)算：對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波處理；根據(jù)接收的數(shù)字信號(hào)、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(hào)，用于功率驅(qū)動(dòng)。5主要功能主要功能u驅(qū)動(dòng)控制：按照控制

2、命令要求，對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度及位置都能得到靈活方便的控制。u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。6主要功能主要功能u編碼器接口：為了便于和編碼器的連接，一些伺服驅(qū)動(dòng)器具有編碼器接口功能。u旋轉(zhuǎn)變壓器接口：一些伺服驅(qū)動(dòng)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。7組成組成以我們的伺服為例以我們的伺服為例l伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械及電子兩部分組成。l機(jī)械部分是指其外殼、底板、支撐件及連接件等。l電子部分包括硬件及軟件。l硬件通常由控制處理電路

3、、信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)、保護(hù)及主電路等組成。l伺服系統(tǒng)的所有功能都是軟件配合硬件一起完成的。8外形圖外形圖9外形圖外形圖10接口說(shuō)明接口說(shuō)明l三相交流電源輸入口（線電壓275V10%）L1 - L2 - L3，機(jī)殼地PE；L1 L2 L3 PE11接口說(shuō)明接口說(shuō)明l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；U V W RB+ RB- ZK+ ZK- PE12接口說(shuō)明接口說(shuō)明復(fù)位按鈕地址編碼PT100數(shù)字IO485接口LED指示燈13接口說(shuō)明接口說(shuō)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OSD

4、00和24V地。14接口說(shuō)明接口說(shuō)明數(shù)字IO：從左到右分別是伺服使能信號(hào)24V地，24V電源輸出，空位，模擬指令- ，模擬指令+，數(shù)字輸出信號(hào)OSD01 ，電機(jī)報(bào)警信號(hào)MOTORALARM，伺服就緒信號(hào)SVREADY，數(shù)字輸入ISD00，ISD01， START ，ENP0。15接口說(shuō)明接口說(shuō)明485接口：從左到右分別是伺服使能信號(hào)24V地，24V電源輸出，機(jī)殼地，模擬地，485B，485A。16接口說(shuō)明接口說(shuō)明LED指示燈：由紅黃綠三種顏色的指示燈的各種組合來(lái)指示伺服系統(tǒng)運(yùn)行中的狀態(tài)，詳細(xì)的說(shuō)明見(jiàn)產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)。17接口說(shuō)明接口說(shuō)明CAN接口RS232接口旋變接口24V電源輸入18接口說(shuō)明接

5、口說(shuō)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-。19工作原理工作原理l直流伺服的依據(jù)d iuR iLed tRLMotoru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(dòng)勢(shì)。當(dāng)電壓平衡時(shí)，又由于電阻比較小，ue。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

6、的電壓。20工作原理工作原理l直流伺服的依據(jù) 根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)，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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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。21工作原理工作原理l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

7、統(tǒng)大多設(shè)計(jì)為數(shù)字伺服系統(tǒng)。l數(shù)字伺服系統(tǒng)需要硬件和軟件配合來(lái)完成伺服系統(tǒng)的所需的功能。l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。22工作原理工作原理l右圖是一個(gè)典型的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件原理框圖。23工作原理工作原理l伺服驅(qū)動(dòng)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。l下圖是一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)。lr(t)為給定量，y(t)為反饋量，e(t)為誤差信號(hào)，u(t)為輸出量，G(s)為被控對(duì)象的S模型，H(s)為反饋濾波器的傳遞函數(shù)。24工作原理工作原理l伺服驅(qū)動(dòng)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

8、環(huán)。l設(shè)計(jì)成三閉環(huán)是為了達(dá)到能動(dòng)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(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的定位。25工作原理工作原理u下圖為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三閉環(huán)控制原理框圖；u控制器包含ACR、ASR、APR三個(gè)控制環(huán)；u外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入；u可以達(dá)到快速響應(yīng)電流、速度和位置的目的。26工作原理工作原理l設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)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）；l通常控制器設(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(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易整定，能解決過(guò)程控制中的大多數(shù)問(wèn)題。27工作原理工作原理lPID即比例、積分、微分控制器；l比例P的作用是對(duì)誤差

9、進(jìn)行放大，加快響應(yīng)速度；l積分的作用是提高系統(tǒng)型別，消除靜態(tài)誤差；l微分的作用是增加阻尼，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它對(duì)干擾很敏感，很容易帶來(lái)干擾。28工作原理工作原理l穩(wěn)態(tài)誤差l控制系統(tǒng)型別v=0稱為0型系統(tǒng)，v=1稱為型系統(tǒng)，v=2稱為型系統(tǒng)。設(shè)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：29工作原理工作原理l例1：校正前后頻率響應(yīng)曲線對(duì)比100101102103104105-40-2002040Magnitude (dB)Bode Diagram100101102103104105-100-500Phase (degrees)Frequenct (Radian)30工作原理工作原理l上圖對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)圖00.020.04

10、0.060.080.10.1200.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time (Sec)Response MagnitudeStep Response31工作原理工作原理l例2：校正前后頻率響應(yīng)曲線對(duì)比10-210-1100101102103104-150-100-50050Magnitude (dB)Bode Diagram10-210-1100101102103104-200-150-100-500Phase (degrees)Frequenct (Radian)32工作原理工作原理l上圖對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)圖00.050.10.150.20.250.30.350.400.1

11、0.20.30.40.50.60.70.80.91Time (Sec)Response MagnitudeStep Response33工作原理工作原理u從前面的討論可以看出，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作過(guò)程很簡(jiǎn)單。u首先伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要接收指令；u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；u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。34工作原理工作原理l伺服驅(qū)動(dòng)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(tái)；l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)。l控制器設(shè)計(jì)完以后，需要進(jìn)行參數(shù)整定。對(duì)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)