伺服驱动系统工作原理

伺服驱动系统工作原理,阜特科技内部讲义 讲师：谭勇,内容,基本概念 组成部分 工作原理,定义,“伺服”一词源于 希腊语“奴隶(SERVO)”的意思 。 伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化的自动控制系统。 伺服是指装置跟随指令的能力，驱动是指它能通过功率器件驱动电动机运转，所以，很多时候有伺服驱动器、伺服驱动系统的说法。,主要功能,采样：对指令、电流、速度、温度等模拟信号进行采样，以便微处理单元（MCU）能对它进行计算处理。 计算：对模拟信号进行滤波处理；根据接收的数字信号、模拟采样结果等，进行变换、计算及处理，得到输出信号，用于功率驱动。,主要功能,驱动控制：按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的力矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。 通讯功能：通常有RS485、CAN、数字IO、模拟IO等接口功能，使其能和其它控制设备进行信息交换。,主要功能,编码器接口：为了便于和编码器的连接，一些伺服驱动器具有编码器接口功能。 旋转变压器接口：一些伺服驱动器的使用条件比较恶劣，要求采用旋转变压器作为速度或位置反馈部件，此时，需要具有旋转变压器接口功能。,组成以我们的伺服为例,伺服驱动系统由机械及电子两部分组成。 机械部分是指其外壳、底板、支撑件及连接件等。 电子部分包括硬件及软件。 硬件通常由控制处理电路、信号驱动电路、功率驱动电路、检测、保护及主电路等组成。 伺服系统的所有功能都是软件配合硬件一起完成的。,外形图,外形图,接口说明,三相交流电源输入口（线电压275V±10%）L1 - L2 - L3，机壳地PE；,L1 L2 L3 PE,接口说明,功率输出接口U,V,W；泄放电阻接口RB+,RB-；吸收电容接口ZK+,ZK-；机壳地PE；,U V W RB+ RB- ZK+ ZK- PE,接口说明,复位按钮,地址编码,PT100,数字IO,485接口,LED指示灯,接口说明,地址编码：从左到右是高位到低位，能表示0-15个地址码。,数字IO：从左到右分别是OSD00和24V地。,接口说明,数字IO：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出，空位，模拟指令- ，模拟指令+，数字输出信号OSD01 ，电机报警信号MOTORALARM，伺服就绪信号SVREADY，数字输入ISD00，ISD01， START ，ENP0。,接口说明,485接口：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出，机壳地，模拟地，485B，485A。,接口说明,LED指示灯：由红黄绿三种颜色的指示灯的各种组合来指示伺服系统运行中的状态，详细的说明见产品使用说明书。,接口说明,CAN接口,RS232接口,旋变接口,24V电源输入,接口说明,CAN接口：从左到右分别为CAN-，CAN+，模拟地。,RS232接口：从左到右分别为机壳地，模拟地，232TX，232RX。,旋变接口：从左到右分别为EXC+，EXC-，SIN+，SIN-，COS+，COS-，模拟地，+5V输出。,24V电源输入，上+下-。,工作原理,直流伺服的依据,R,L,Motor,u,等效电路如右所示，直流电机的电压平衡公式如右所示，R为电机绕组等效电阻，L为电机绕组等效电感，e为感应电动势。,当电压平衡时，又由于电阻比较小，ue。e跟电机本身有关，当电机选定后，和转速成正比，所以，控制电压就相当于控制了转速。因此，调速的依据是改变加在电机绕组上的电压。,工作原理,直流伺服的依据,根据物理学的知识，我们知道，位移是速度的积分，速度是加速度的积分，为了达到快速、精确的位置控制的目的，控制器对速度和加速度都要快速准确的响应。加速度和转矩成正比，而转矩又正比于电流，所以，我们要设计三个控制环，分别对电流、速度和位置进行控制。三个环的其中部分环或全部参与控制，构成了伺服驱动器的几种工作模式。,为了能快速准确的响应，控制环都设计成闭环，即反馈控制环，如上图所示，G(s)为被控对象的模型函数，H(s)为反馈通道的传递函数。r(t)输入，u(t)是输出。,工作原理,随着微电子技术、电力电子技术，嵌入式计算技术的进步，现代的伺服系统大多设计为数字伺服系统。 数字伺服系统需要硬件和软件配合来完成伺服系统的所需的功能。 硬件是伺服系统的骨架，软件是伺服系统的灵魂，通常，硬件是给伺服系统实现功能提供了条件，软件实现具体的算法。,工作原理,右图是一个典型的伺服驱动系统硬件原理框图。,工作原理,伺服驱动系统是典型的反馈控制系统，它遵循反馈控制系统的一般规律。 下图是一个典型的反馈控制系统。 r(t)为给定量，y(t)为反馈量，e(t)为误差信号，u(t)为输出量，G(s)为被控对象的S模型，H(s)为反馈滤波器的传递函数。,工作原理,伺服驱动系统通常设计成三闭环控制器，三闭环是指电流环、速度环和位置环。 设计成三闭环是为了达到能动态响应的目的，电流环能快速跟踪电流指令，速度环快速跟随速度指令，位置环对执行机构进行精确的定位。,工作原理,下图为伺服驱动系统的三闭环控制原理框图； 控制器包含ACR、ASR、APR三个控制环； 外环的输出作为内环的输入； 可以达到快速响应电流、速度和位置的目的。,工作原理,设计伺服驱动系统的关键任务之一，是要设计合适的控制器（调节器）； 通常控制器设计为PID控制器，因为PID控制器适应面广，不需要被控对象精确的数学模型，参数容易整定，能解决过程控制中的大多数问题。,工作原理,PID即比例、积分、微分控制器； 比例P的作用是对误差进行放大，加快响应速度； 积分的作用是提高系统型别，消除静态误差； 微分的作用是增加阻尼，提高系统的稳定性，但它对干扰很敏感，很容易带来干扰。,工作原理,稳态误差,控制系统型别,v=0称为0型系统，v=1称为型系统，v=2称为型系统。,设开环传递函数为：,工作原理,例1：校正前后频率响应曲线对比,工作原理,上图对应的阶跃响应图,工作原理,例2：校正前后频率响应曲线对比,工作原理,上图对应的阶跃响应图,工作原理,从前面的讨论可以看出，伺服驱动系统的工作过程很简单。 首先伺服驱动系统要接收指令； 然后，伺服装置根据用户选择的工作模式（通常有力矩、速度、位置三种），执行不同的运算及控制； 此外，伺服装置能跟其它设备接口，根据外界的环境进行启停、状态切换及保护等。,工作原理,伺服驱动系统的关键之处之一是设计一个稳定可靠的硬件平台； 其二是设计适合的控制器，达到快速、平稳、准确的响应。 控制器设计完以后，需要进行参数整定。对于采用PID控制率的控制器，主要需要进行PID参数的合理设置，还需要根据电流、速度等物理量的额定值对反馈的调整系数进行合理设置。,工作原理,PID参数整定的一般方法是先整定P参数，再整定I参数，最后整定D参数； 控制器参数整定一般是先整定内环参数，再整定外环参数。 伺服驱动系统都留有用户进行参数整定，反馈系数调整等接口，方便用户根据不同应用场合进行配置。,Thats all. Thank you!,谢谢！,