1、伺服驅(qū)動系統(tǒng)工作原理,阜特科技內(nèi)部講義 講師：譚勇,內(nèi)容,基本概念 組成部分 工作原理,定義,“伺服”一詞源于 希臘語“奴隸(SERVO)”的意思 。 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控制系統(tǒng)。 伺服是指裝置跟隨指令的能力，驅(qū)動是指它能通過功率器件驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，所以，很多時候有伺服驅(qū)動器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)的說法。,主要功能,采樣：對指令、電流、速度、溫度等模擬信號進行采樣，以便微處理單元（MCU）能對它進行計算處理。 計算：對模擬信號進行濾波處理；根據(jù)接收的數(shù)字信號、模擬采樣結(jié)果等，進行變換、計算及處理，得到輸出信號，用于功率驅(qū)動。,主

2、要功能,驅(qū)動控制：按照控制命令要求，對信號進行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度及位置都能得到靈活方便的控制。 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)備進行信息交換。,主要功能,編碼器接口：為了便于和編碼器的連接，一些伺服驅(qū)動器具有編碼器接口功能。 旋轉(zhuǎn)變壓器接口：一些伺服驅(qū)動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，需要具有旋轉(zhuǎn)變壓器接口功能。,組成以我們的伺服為例,伺服驅(qū)動系統(tǒng)由機械及電子兩部分組成。 機械部分是指其外殼、底板、支撐件及連接件等。 電子部分包括硬件及軟件。 硬件通常由控制處理電路、

3、信號驅(qū)動電路、功率驅(qū)動電路、檢測、保護及主電路等組成。 伺服系統(tǒng)的所有功能都是軟件配合硬件一起完成的。,外形圖,外形圖,接口說明,三相交流電源輸入口（線電壓275V10%）L1 - L2 - L3，機殼地PE；,L1 L2 L3 PE,接口說明,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-；機殼地PE；,U V W RB+ RB- ZK+ ZK- PE,接口說明,復(fù)位按鈕,地址編碼,PT100,數(shù)字IO,485接口,LED指示燈,接口說明,地址編碼：從左到右是高位到低位，能表示0-15個地址碼。,數(shù)字IO：從左到右分別是OSD00和24V地。,接口說明,數(shù)字I

4、O：從左到右分別是伺服使能信號24V地，24V電源輸出，空位，模擬指令- ，模擬指令+，數(shù)字輸出信號OSD01 ，電機報警信號MOTORALARM，伺服就緒信號SVREADY，數(shù)字輸入ISD00，ISD01， START ，ENP0。,接口說明,485接口：從左到右分別是伺服使能信號24V地，24V電源輸出，機殼地，模擬地，485B，485A。,接口說明,LED指示燈：由紅黃綠三種顏色的指示燈的各種組合來指示伺服系統(tǒng)運行中的狀態(tài)，詳細的說明見產(chǎn)品使用說明書。,接口說明,CAN接口,RS232接口,旋變接口,24V電源輸入,接口說明,CAN接口：從左到右分別為CAN-，CAN+，模擬地。,RS2

5、32接口：從左到右分別為機殼地，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-。,工作原理,直流伺服的依據(jù),R,L,Motor,u,等效電路如右所示，直流電機的電壓平衡公式如右所示，R為電機繞組等效電阻，L為電機繞組等效電感，e為感應(yīng)電動勢。,當電壓平衡時，又由于電阻比較小，ue。e跟電機本身有關(guān)，當電機選定后，和轉(zhuǎn)速成正比，所以，控制電壓就相當于控制了轉(zhuǎn)速。因此，調(diào)速的依據(jù)是改變加在電機繞組上的電壓。,工作原理,直流伺服的依據(jù),根據(jù)物理學(xué)的知識，我們知道，位移是速度的積分，速

6、度是加速度的積分，為了達到快速、精確的位置控制的目的，控制器對速度和加速度都要快速準確的響應(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)計三個控制環(huán)，分別對電流、速度和位置進行控制。三個環(huán)的其中部分環(huán)或全部參與控制，構(gòu)成了伺服驅(qū)動器的幾種工作模式。,為了能快速準確的響應(yīng)，控制環(huán)都設(shè)計成閉環(huán)，即反饋控制環(huán)，如上圖所示，G(s)為被控對象的模型函數(shù)，H(s)為反饋通道的傳遞函數(shù)。r(t)輸入，u(t)是輸出。,工作原理,隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)，嵌入式計算技術(shù)的進步，現(xiàn)代的伺服系統(tǒng)大多設(shè)計為數(shù)字伺服系統(tǒng)。 數(shù)字伺服系統(tǒng)需要硬件和軟件配合來完成伺服系統(tǒng)的所需的功能。 硬件是伺服系統(tǒng)的

7、骨架，軟件是伺服系統(tǒng)的靈魂，通常，硬件是給伺服系統(tǒng)實現(xiàn)功能提供了條件，軟件實現(xiàn)具體的算法。,工作原理,右圖是一個典型的伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件原理框圖。,工作原理,伺服驅(qū)動系統(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。 下圖是一個典型的反饋控制系統(tǒng)。 r(t)為給定量，y(t)為反饋量，e(t)為誤差信號，u(t)為輸出量，G(s)為被控對象的S模型，H(s)為反饋濾波器的傳遞函數(shù)。,工作原理,伺服驅(qū)動系統(tǒng)通常設(shè)計成三閉環(huán)控制器，三閉環(huán)是指電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。 設(shè)計成三閉環(huán)是為了達到能動態(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)對執(zhí)行機構(gòu)進行精確的定位。,工作

8、原理,下圖為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的三閉環(huán)控制原理框圖； 控制器包含ACR、ASR、APR三個控制環(huán)； 外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入； 可以達到快速響應(yīng)電流、速度和位置的目的。,工作原理,設(shè)計伺服驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)之一，是要設(shè)計合適的控制器（調(diào)節(jié)器）； 通?？刂破髟O(shè)計為PID控制器，因為PID控制器適應(yīng)面廣，不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)容易整定，能解決過程控制中的大多數(shù)問題。,工作原理,PID即比例、積分、微分控制器； 比例P的作用是對誤差進行放大，加快響應(yīng)速度； 積分的作用是提高系統(tǒng)型別，消除靜態(tài)誤差； 微分的作用是增加阻尼，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它對干擾很敏感，很容易帶來干擾。,工作原理,穩(wěn)態(tài)誤差,

9、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)開環(huán)傳遞函數(shù)為：,工作原理,例1：校正前后頻率響應(yīng)曲線對比,工作原理,上圖對應(yīng)的階躍響應(yīng)圖,工作原理,例2：校正前后頻率響應(yīng)曲線對比,工作原理,上圖對應(yīng)的階躍響應(yīng)圖,工作原理,從前面的討論可以看出，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的工作過程很簡單。 首先伺服驅(qū)動系統(tǒng)要接收指令； 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)行不同的運算及控制； 此外，伺服裝置能跟其它設(shè)備接口，根據(jù)外界的環(huán)境進行啟停、狀態(tài)切換及保護等。,工作原理,伺服驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵之處之一是設(shè)計一個穩(wěn)定可靠的硬件平臺； 其二是設(shè)計適合的控制器，達到快速、平穩(wěn)、準確的響應(yīng)。 控制器設(shè)計完以后，需要進行參數(shù)整定。對于采用PID控制率的控制器，主要需要進行PID參數(shù)的合理設(shè)置，還需要根據(jù)電流、速度等物理量的額定值對反饋的調(diào)整系數(shù)進行