伺服系统工作原理

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) ，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 (position 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. 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 ? 6? 1 The resolver is essentially a rotating transformer ? 6? 1 Very rugged device - no electronic or optical components ? 6? 1 Provides absolute position within a revolution ? 6? 1 Frameless resolvers mount directly on the motor shaft without the need for couplings ? 6? 1 Preferred solution for general purpose applications Excitation Sine Cosine Three Primary Control Variables Position Velocity Torque 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 DriveCurrent Limit Velocity Command Position Feedback +Pcomp Vff + + Velocity Command 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 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 ? 6? 1 How a control loop responds to a small step change is a good indicator of how well the system has been tuned ? 6? 1 The rise-time (tr) is shorter if the bandwidth is high ? 6? 1 The higher the proportional gain the higher the bandwidth ? 6? 1 The red curve shows some ringing and indicates that we are starting to see some phase shift. The green curve shows a critically damped control loop with close to the ideal response ? 6? 1 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 TrTuning - The Golden Rules ? 6? 1 Command the System to Do Only What it is