伺服系统工作原理.docx

1、伺服系统工作原理第一部分：伺服系统的工作原理 伺服系统(servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制 被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规 律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功 能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控 机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量 较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。其基本工作原理和普通的交直流电机 没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一 般其内部包括转矩（电

2、流）、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开 环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反 馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这 3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。 伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。 全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬 件大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元；检测器单元；数 字控制器单元；接口单元。相对应伺服系统由外到内的位置、速度、转矩 三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。在使用位置控制方

3、式时，伺服完 成所有的三个闭环的控制。在使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电 流）两个闭环的控制。一般来讲，我们的需要位置控制的系统，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，只是上位机的处理不同。另外， 有人认为位置控制方式容易受到干扰。而扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩 的闭环控制，即电流控制，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单 一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式， 用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。 伺服机构系统源自servomechanism system，系指经由闭回路控 制方式达到一个机

4、械系统位置、速度、或加速度控制的系统。一个伺 服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、控制器 (controller)等几个部分，受控体系指被控制的物件，例如一格机械手 臂，或是一个机械工作平台。致动器的功能在於主要提供受控体的动 力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱 动方式，一般称之为油压伺服系统。目前绝大多数的伺服系统采用电 力驱动方式，致动器包含了马达与功率放大器，特别设计应用於伺服 系统的马达称之为伺服马达(servo motor)，通常内含位置回授装置， 如光电编码器(optical encoder)或是解角器(resolver)

5、，目前主要应用於 工业界的伺服马达包括直流伺服马达、永磁交流伺服马达、与感应交 流伺服马达，其中又以永磁交流伺服马达占绝大多数。控制器的功能 在於提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、与位置 控制等。目前一般工业用伺服驱动器(servo drive)通常包含了控制器与 功率放大器。 一个传统伺服机构系统的组成如图1所示，伺服驱动器主要 包含功率放大器与伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控 制器与扭矩控制器，马达通常提供类比式的速度回授信号， 控制界面采用10V的类比讯号，经由外回路的类比命令， 可直接控制马达的转速或扭矩。采用这种伺服驱动器，通常 必须再加上一个位置控制器(posi

6、tion controller)，才能完成 位置控制。图2所示是一个现代的伺服机构系统架构图，其 中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服马达 提供解析度的光电编码器回授信号。 图1. 一个传统伺服机构系统的组成 图2. 现代伺服机构系统的组成 多轴运动控制系统 精密伺服系统多应用於多轴运动控制系统，如工业机 器人、工具机、电子零件组装系统、PCB自动差建机等等。 图3所示是一个运动控制平台的方块图，工作物件的位置控 制可藉由平台的移动来达成，平台位置的侦测有两种方式， 一种是藉由伺服马达本身所安装的光电编码器，由於是以 间接的方式回授工作物件的位置，再藉由闭回路控制达到 位置控制的目

7、的，因此也称之为间接位置控制(indirect position control)。另一种方式是直接将位置感测元件安装 在平台上，如光学尺、雷射位置感测计等等，直接回授工 作物件的位置，再藉由闭回路控制达到位置控制的目的， 称之为直接位置控制(direct position control)。 一个多轴运动控制系统由高阶的运动控制器(motion controller)与低阶的伺服驱动器(servo drive)所组成，运动 控制器负责运动控制命令解码、各个位置控制轴彼此间的相对 运动、加减速轮廓控制等等，其主要关键在於降低整体系统运 动控制的路径误差；伺服驱动器负责伺服马达的位置控制，主 要

8、关键在於降低伺服轴的追随误差。图5所示是一个双轴运动 控制系统的简化控制方块图，在一般的情况下x-轴与y-轴的动 态响应特性会有相当大的差异，在高速轮廓控制时 (contouring control)，会造成显著的误差，因此必须设计一 个运动控制器以整体考量的观点解决此一问题。 图3. 双轴运动控制系统 图4. 双轴运动控制系统的简化控制方块图 图5. 网路控制分散式伺服系统 图6. 伺服系统的整合 图7. 伺服系统的阶层式控制架构 图8. 伺服系统的环状多回路控制架构 图9. 现代伺服系统的阶层式控制介面 图10. 直流伺服驱动器的系统方块图 图11. 交流伺服驱动器的系统架构图 图12.

9、泛用型伺服驱动器的系统架构图 图13. 一个典型闭回路控制系统的方块图 图14. 伺服系统的环状多回路控制架构 图15. 一个典型的多回路直流伺服系统控制方块图 图16. 实用的工业数位伺服控制法则 图17. 伺服马达驱动系统的自调控制架构 图18. 数位马达控制技术的演进 图19. 以DSP为核心的伺服系统解决方案 图20. DSP数位伺服驱动器的硬体电路图 (TI Application Note) The Resolver 61 The resolver is essentially a rotating transformer 61 Very rugged device - no el

10、ectronic or optical components 61 Provides absolute position within a revolution 61 Frameless resolvers mount directly on the motor shaft without the need for couplings 61 Preferred solution for general purpose applications Excitation Sine Cosine Three Primary Control Variables Position Velocity Tor

11、que Closed 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 伺服驱动器控制原理

12、图 Velocity 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 Comma

13、nd Architecture 2 速度控制结构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

14、Stop - Preferred 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 61 Ho

15、w a control loop responds to a small step change is a good indicator of how well the system has been tuned 61 The rise-time (tr) is shorter if the bandwidth is high 61 The higher the proportional gain the higher the bandwidth 61 The red curve shows some ringing and indicates that we are starting to

16、see some phase shift. The green curve shows a critically damped control loop with close to the ideal response 61 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 Tr Tuning - The Golden Rules 61 Command the S

17、ystem 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 61 Tune Inside Out It is essential to tune the inner loops first. A common mistake is to have a low bandwidth, poorly tuned velocity lo

18、op then try to tune the position loop. The position loop can never be properly tuned because of the phase shift in the inner loop 61 Proper Grounding and Shielding Great care must be taken in following the grounding and shielding procedures in the installation manual. If there is excessive system no

19、ise the system must be detuned (low bandwidth) so that it is not excited by high frequency noise 61 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 be introduced which again for

20、ce system detuning Velocity Control Architecture + + - P+I P+I 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 Oscilloscope Time Velocity Oscillosco

21、pe Operating Modes 61 Reversing - step change in velocity 61 Constant speed 61 Constant torque 61 Constant current The Current Loop 61 The current loop is configured automatically when the motor is selected. It is usually not necessary to modify parameters. Optimizing Velocity Loop Step Response 61

22、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 61 Integral Gain Higher integral gain improves immunity to disturbances but increases ringing. In a high friction system the

23、 integral gain can be increased more significantly Time Velocity The Position Loop 61 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 higher integral gain reduces following error but increases r

24、inging 61 The proportional gain may require no adjustment. A higher gain reduces following error bu increases ringing 61 Following error is significantly reduced by Vff which normally requires no adjustment from the default 第二部分：伺服电机的工作原理 无刷永磁电机原理图 Rotor Magnets 3 Phase Stator Windings Phase A Phase

25、 B Phase C Motor Inertia m F Force = mass x linear acceleration J T Torque = inertia x angular acceleration Step 2 Step 3 Step 4 Step 1 步进电机原理图 Servo/Stepper Comparison Feature Servo Stepper Torque/Speed Excellent Limited Efficiency High Low Position Information Yes Possible Lost Steps Ease of Use R

26、equires 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 of Operation N S + _ Magnetic Field Around Rotor Coil Perm

27、anent Magnet Stator Brush Commutator Rotor Coils Multiple Poles and Coils S N S N S N Feedback Devices Explain the feedback concepts of resolution, accuracy and repeatability Discuss resolvers and encoders and how they work Compare feedback options and review relative benefits Resolution Higher Reso

28、lution Lower Resolution Accuracy Higher Accuracy Lower Accuracy 61 Accuracy defines how close each measured position is to the actual physical position 61 The higher accuracy example has a tighter tolerance for the placement of each increment Repeatability High Repeatability 61 In the example above,

29、 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 Sensor 1 Sensor 2 Moving Disk Light Source Sensor 1 Sensor 2 61 T

30、he encoder uses optical scanning of a fine grating in the form of a moving disc 61 The incremental encoder can only measure position changes 61 Digital pulse ouputs are typically provided which can be counted by the controller 61 A third sensor is often used to generate a marker pulse at a specific

31、position within a revolution The Absolute Encoder 61 The absolute encoder has multiple disks which completely define position within a revolution 61 With mechanical gearing of the disk to another moving disk it is possible to define position over multiple revolutions 61 The encoder interface to the

32、is typically Endat/Hyperface or SSI 总结 61 交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子两种结构 61 形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个 61 绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90电角度。固定和保 61 护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普 61 通三相笼式电机相同。杯形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4，杯 61 形转子3和内定子5三部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同， 61 转子则由非磁性导电材料（如铜或铝）制成空心杯形状，杯子底部固定在转 61 轴7上。空心杯的壁很薄（小于0.5mm），因此转动惯量很小。内定子由硅钢 61 片叠压而成，固定在一个端盖1、8上，内定子上没有绕组，仅作磁路用。电 61 机工作时，内、外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转 61 动。对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放 61 在内、外定子铁心的槽内。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机 61 无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流 61 伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它 61 已在转动时，如果控制信