伺服系统概要.docx

衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度 频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性带宽越大， 快速性越好伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制惯性越大，带宽越 窄一般伺服系统的带宽小于15HZ，大型设备伺服系统的带宽则在1〜2HZ以下自20世 纪 70 年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革 除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50HZ，并成功应用在远程导弹、人 造卫星、精密指挥仪等场所伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度因此，在伺服系统中必须采用高精度的 测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等此 外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减 速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度采用这种方案的伺服系统 称为精测粗测系统或双通道系统通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取 自转轴的测角线路称粗读数通道伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要 让这个系统运转起来还需要一个上位机构：PLC、专门的运动控制卡、工控机+PCI卡、以便 于给伺服驱动器发送指令。

在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分执 行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等它们作为执行机构，带 动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统， 专业运动控制PLC，PC+运动控制卡，专用控制系统上位控制”是“指挥”执行机构动作 的，我们也称之为“大脑”随着PC（Personal Computer）的发展和普及，采用PC+运动控 制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势这种方案可充分利用计算机资 源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备从用户使用的角度 来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性 能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡 数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分 为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步 进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制目 前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，其作用类似于变频 器作用于普通交流马达目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核 心，可以实现比较复杂的控制算法、数字化、网络化和智能化功率器件普遍采用以智能功 率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、 过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器 的冲击 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得 到相应的直流电经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来 驱动三相永磁式同步交流伺服电机功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是 AC-DC-AC 的过程整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路伺服驱动器一般可 以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的 高端伺服驱动器的规格与选择 伺服驱动系统的应用非常广泛，举凡需要做速度控制、位置控制、轨迹控制、追踪控制与同 步运转控制等场合，都是它主要的应用范围在不同的运用场合虽然要求的特性规格与操作 界面会有所不同，但其应用方法与控制原理可说是大同小异。

本文将说明直流伺服驱动系统 的组成，伺服系统要求规格，驱动器的规格、型式、特性与工作原理，最后再介绍一些应用 实例一个伺服电机驱动系统的基本结构如图1 所示，通常包含三个主要部份：伺服电动机、速度 回路驱动器与位置回路控制器伺服电机可根据应用的需要而决定是否加装转速计 (tachometer)、光编码器(photo encoder)或剎车(braker)一般商品化的伺服驱动器即是指速 度回路驱动器，其中包含了功率放大器与速度回路控制器，并包含适当的应用界面电路，因 而能够根据应用场合做适当的组合位置控制器一般包含位置控制器与计算机或数字界面， 亦包含一些较高层次的位置命令与参数调整等界面设定，通常为一可单独销售的产品附录A为日本山洋(SANYO)公司出品的PDT系列直流伺服驱动器的规格书，其主要规格如表1所列以PDT-093-10为例，其配合直流伺服电机为 SM60-201,转子惯量为0.27 X10-3Kg. cm sec2主回路(main circuit)是指其功率级所采用的功率转换方式，为晶体管脉宽 调变(PWM)型，可逆是指可工作于正反转，因此可工作于四象限工作区减定规格 (wave factor)或称之为 derating factor 为波形率(form factor )的倒数。

直流伺服驱动器的wave factor系指其输出电流的平均值与rms的比值，其越接近1越好， 表示其涟波电流越小，所造成的rms扭矩损也就越小，故系统的效率也就越高大多数的直 流伺服驱动器均为模拟电压的转速输入，输入电压通常介于±10V,输入阻抗通常为10KQ 一般工业级伺服驱动器的瞬时最大输出电流约为其额定输出电流的2~3倍，瞬时最大输出 电流直接关系到驱动系统的加速能力、伺服刚性与频宽，因此是重要的性能指针在选定伺服驱动器时，其速度控制范围与速度调节(speed regulation)的能力亦是重要的考虑 因素速度控制范围直接影响到低速与高速运动的能力，一般的伺服驱动器其速控比(最高 转速／最低转速)通常大于1000速度调节主要是指在环境变动或负载波动下其维持定速的 能力，定义的项目通常包含：负载变动、电源电压变动与温度变动反应时间(response time) 为瞬时响应的重要指标，0-1000 rpm的反应时间为一般参考标准在额定负载下的最高转速 反应时间，在设计位置回路控制器时亦为重要的参考指标加减速特性主要指在最高转速的 步阶响应其加减速的特性，图2(a)为直线一段加减速，图2(b)为直线两段加减速，图2(c)为 指数曲线加减速。

一般的伺服驱动器均为直线一段线性加速，但亦可根据实际应用需要选择 不同加速曲线的驱动器，或在外回路位置控制加以修改由于伺服驱动系统大多应用于高精密快速响应的转速或位置控制系统，因此其闭回路特性就 相当重要，表1的闭回路特性包含了：位置刚度(position stiffness)、1000 rpm时的回路增益(loop gain)与最高转速(2400 rpm)时的回 路增益型式 Type 单位 PDT-093-10 PDT-093-20 PDT-093-30配适电机 Matching DC Servo Motor - SM60-201 SM80-201 U505T-002转子惯量 Rotor Inertia Kg. cm. sec2 0.27 X 10-3 1.1 X 10-3 0.39 X 10-3电源 Power Reruirements - AC200220 ± 10%, 50/60HZ,单相 电源电流 Line Current A 1.5 2 1周围条件 Enviromental Spec.-温度：0~50C 湿度：35~85%主回路Main Circuit -晶体管PWM四象限减定格率Wave Factor % 95以上速度反馈 Speed Feedback - MCTG 相当(3V±5%/1000rpm) 7V+3V, -0V/1000rpm输入Input 指令电压 Command V. V/1000rpm DC±3 Input Impedance 约 10最大输出电压 Max. Output V. V DC±130 DC±130 DC±130 额定输出电压 Rated Output Cur. A DC±1.5 DC±2 DC±1.1瞬时最大输出电流.Max. Inst. Output Cur.高速时 A DC±3 DC±4.5 DC±2.5额定扭矩 Rated Torue 1000rpm Kg．cm 27 6 1.3最高速度 Kg．cm 27 6 1.3瞬时最大扭矩 Max. Inst. Torque 0~1000rpm Kg cm 5.3 14 3.7 速度控制范围 Speed Cntrol Range rpm 2400~1 1200~1 3000~1 速度变动 Speed Variation 负荷变动 0~100% rpm 0.01 电源电压变动±10 rpm 0.01 温度变动 0~50C rpm 0.5反应时间 Response Time 01000rpm(90%) ms 10 13 15 0最高速率 (90%) ms 30 16 45加减速特性 Accel.Dclr. Chrst. -直线 1 段闭路特性Closed Loop Chrst. Posn. Stiffness Kg．cm/0.01 3.5 10 2.5 Loop Gain (1000rpm) sec-1 120 120 12 0 Loop Gain (Max. Speed) sec-1 70 70 70 外部电流限制 External Cur. Limit -保护 机能 Protection - 电 源 电 压 低 下、 过速 度 、过 电 流 、 过负 荷、 TG 异常 重量 Weight Servo Ampl. kg 1.0 1.0 1.0 Power Xfmr. kg 5.5 5.5 4.0 Choke Coil kg假设一个伺服驱动系统的速度控制回路的回路转换函数(loop transferfunction)为GLV(s),则其 静态回路增益(static loop gain)为其位置误差常数(position error constant)。

实际的控制系统均 有某一个程度的非线性特性,因此在实际量测一个控制系统的回路增益时均是在闭路控制的 情况下，选择一个工作点再利用频率响应分析仪(frequency response analyzer)量测其小信号 的回路增益,因此测试结果常标示其工作点直流伺服驱动器本身受到输出电压电流的限制, 因此也可以说是一个非线性控制系统，当电机输出扭矩与转速愈高时，所受到的非线性限制 也就愈大，因此在转速较高的工作点所测得的回路增益一般均较小选择伺服驱动器时应注意伺服驱动器与其所配对的电机的扭矩／转速工作区为了降低电枢 线圈的涟波电流，可加上一个扼流圈(choke)与电机线圈串联，但如此也会加长电机的电气 时间常数(electrical time constant)，而降低了动态响应的性能，在使用上需整体考虑主电 源的隔离变压器可提供电压匹配与隔离的功能，但体积大且笨重，在选择时需多加考虑一 般功率较大的驱动器其功率级与信号级均完全隔离以避免di/dt与dv/dt噪声的干扰，这类 的驱动器与市电连接时可不必再多加隔离变压器直流伺服驱动系统的特性 一个较完整的直流伺服驱动控制系统，包括传动机械在内，选型步骤大体如下：1．需求分析。

确定转速、转矩、转速精度或定位精度、安装尺寸、是否需要闭环、成本； 2．选择电机 首先确定电机类型； 然后根据转速、转矩、安。