伺服控制系統(tǒng)

1、交流伺服運動控制系統(tǒng)班級電氣5班學號 2015345姓名李宏陽1引言隨著社會的發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)在現(xiàn)代社會的作用就越來越大，運用范圍也越來越廣。 從最開始的主要運用與軍事方面到工業(yè)的方方面面都離不開伺服控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)最初 是用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動車 床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。伺服控制系統(tǒng)在整個社會發(fā)展中的地位越來越重要，我們主要可以去了解控制策略、 控制方法、系統(tǒng)設計（包括交直流伺服、數(shù)控、視覺伺服、液壓伺服、.氣動伺服、機器人 伺服等系統(tǒng)）、伺服電動機（包括永磁同步電機、步進電機、直線電機、開關(guān)磁阻電機等電 機的設計、新原理

2、、新材料、新結(jié)構(gòu)和電機磁場與性能分析及軟件分析平臺）、伺服控制 前沿技術(shù)、行業(yè)信息、應用案例、伺服器件、傳感器、工業(yè)通信、新產(chǎn)品等關(guān)于伺服控制 系統(tǒng)的知識。2.伺服運動控制系統(tǒng)簡介2.1 概念用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下， 伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使 輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋 控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。2.2 指標要求（1）系統(tǒng)精度要高伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復現(xiàn)輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概

3、 括為動態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個方面組成。在伺服控制系統(tǒng)中一般系統(tǒng)精度越高 越好。（2）穩(wěn)定性要好伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復到原來穩(wěn)定狀 態(tài)的能力;或者當給系統(tǒng)一個新的輸入指令后,系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力，在實際 運用中我們希望系統(tǒng)的這一能力越強越好。（3）響應速度要快響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度，決定了系統(tǒng)的工作效率.響應 速度與許多因素有關(guān),如計算機的運行速度,運動系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。在生產(chǎn)運用中我們 希望響應速度是越快越好。（4）工作頻率范圍要寬工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍.當工作頻率信號輸入時，系統(tǒng)能夠 按

4、技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號時，體統(tǒng)不能正常工作。根據(jù)我們的實際需求我們 希望一個系統(tǒng)的工作頻率的范圍要比較寬，這樣才能將伺服控制系統(tǒng)用于實際生產(chǎn)。 2.3體系架構(gòu)2.3.1 分類伺服系統(tǒng)按所用驅(qū)動元件的類型可分為機電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動伺服系統(tǒng)，機電伺服 系統(tǒng)又分步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機（簡稱直流電機）伺服系統(tǒng)、交流電動機（簡稱 交流電機）伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺 服系統(tǒng)等。（1）開環(huán)系統(tǒng)它主要由驅(qū)動電路，執(zhí)行元件和機床3大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進電機， 通常稱以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大

5、功率驅(qū)動時，用步進電機作為執(zhí)行元件。驅(qū)動電路的主要任務是將指令脈沖轉(zhuǎn)化 為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。（2）閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和機床5部分組成。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給 比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通 常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。 由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在， 半 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號 和反饋信號進行比較，兩者的差值作為伺

6、服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動電路，控制執(zhí)行 元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進入比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反 饋檢測方式，閉環(huán)（半閉環(huán)）系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值 比較伺服系統(tǒng)3種。2.3.2 伺服的三個環(huán)控制伺服一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是 3個閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的 PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部進行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電 機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進行PID調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流盡量接 近等于設定電流，電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小， 動態(tài)響應最快。第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機編碼器的

7、信號來進行負反饋 PID調(diào)節(jié)，它的環(huán) 內(nèi)PID輸出直接就是電流環(huán)的設定，所以速度環(huán)控制時就包含了速度環(huán)和電流環(huán)， 換 句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時 系統(tǒng)實際也在進行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達到對速度和位置的相應控制。第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機編碼器間構(gòu)建也可以在外部 控制器和電機編碼器或最終負載間構(gòu)建，要根據(jù)實際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設定，位置控制模式下系統(tǒng)進行了所有3個環(huán)的運算，此時的系統(tǒng) 運算量最大，動態(tài)響應速度也最慢。3 .伺服控制系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)的區(qū)別運動控制系統(tǒng)主要是指運動單元以非常準確的設定速度在

8、規(guī)定的時間到達準確位置 的可控運動。在運動控制系統(tǒng)你中主要以速度、位置等為被控量，被控對象主要是直流電 動機，一般以電流和速度作為系統(tǒng)的反饋檢測量。運動控制系統(tǒng)中包含了伺服控制系統(tǒng)這 一類別。而伺服控制系統(tǒng)中主要以位置或位移作為被控量，被控對象主要是交流電動機， 一般以電流、速度和位移作為反饋檢測量。4 .現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)以交流伺服系統(tǒng)為主，在這里主要談談交流伺服系統(tǒng)。現(xiàn)代交流伺 服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速 度和位置控制；采用新型功率半導體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如 IR推出的伺服控制專用引

9、擎)也不足為奇。國際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會換代，新的功率 器件或模塊每22.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越 來越短?？偨Y(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看到以 下一些最新發(fā)展趨勢。其一，服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統(tǒng)”，同時伺服對 象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控 制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進一 些先進的“復合型控制策略”以改進“控制器”性能是當前發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的一 個主要“突破口”。其二，電動機、反饋、控制、驅(qū)

10、動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統(tǒng)的一 個發(fā)展方向。有時我們稱這種集成了驅(qū)動和通訊的電機叫智能化電機(Smart Motor),有 時我們把集成了運動控制和通訊的驅(qū)動器叫智能化伺服驅(qū)動器。電機、驅(qū)動和控制的集成 使三者從設計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術(shù)挑 戰(zhàn)（如可靠性）和工程師使用習慣的挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很 小的有特色的部分。其三，實現(xiàn)其通用化通用型驅(qū)動器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶在 不改變硬件配置的條件下,方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁 通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再

11、生單元等五種工作方式，適用于各種場合， 可以驅(qū)動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機，也 可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器?？梢允褂秒姍C本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán) 控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。其四，實現(xiàn)其網(wǎng)絡化和模塊化，隨著機器安全標準的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保 護技術(shù)（問題發(fā)生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化）已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌 入了預測性維護技術(shù)，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢， 并采取預防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度

12、 升高時監(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。綜上所述，隨著微電子、計算機、電力半導體和電機制造技術(shù)取得巨大技術(shù)進步，永 磁交流伺服系統(tǒng)也將具有更加美好的發(fā)展前景。5 .對伺服控制系統(tǒng)的認識在這里我也不具體談伺服控制系統(tǒng)的某項技術(shù)或某方面的內(nèi)容，我就大概總結(jié)一下我 對伺服控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的一些看法。自20世紀80年代后期以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對作為工業(yè)設備的重要驅(qū)動 源之一的伺服系統(tǒng)提出了越來越高的要求，研究和發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)成為國內(nèi)外同 仁的共識。有些努力已經(jīng)取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作電機材料的 性能，改進電機結(jié)構(gòu)，提高逆變器和檢測元件性能、精度

13、等研究方向和努力?！败浶问健?上存在從控制策略的角度著手提高伺服系統(tǒng)性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法” 估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的“無速度傳感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技術(shù)改進PMSM 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和性能，以通過消除/削弱因齒槽轉(zhuǎn)矩所造成的PMSM轉(zhuǎn)矩脈動對系統(tǒng)性能的影響； 采用基于現(xiàn)代控制理論為基礎的具有將強魯棒性的滑?？刂撇呗砸蕴岣呦到y(tǒng)對參數(shù)攝動 的自適應能力；在傳統(tǒng)PID控制基礎上進入非線性和自適應設計方法以提高系統(tǒng)對非線性 負載類的調(diào)節(jié)和自適應能力；基于智能控制的電機參數(shù)和模型識別，以及負載特性識別。對于發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服 電機、逆變器以相應反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數(shù)的制約；而以“軟形式” 存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發(fā)展，尤其智能控制的興起和 不斷成熟，加之計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得基于智能控制的先進控制策略 和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實現(xiàn)，并為其實際應用奠定了物質(zhì)基 礎。伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統(tǒng)”，同時伺服對象也 存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策 略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理