伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.doc

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伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 伺服電機(jī)的原理： 伺服的基本概念是準(zhǔn)確、精確、快速定位。與普通電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差90電角度。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)控制的u／V／W三相電形成電磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度{線數(shù))。 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降 作用：伺服電機(jī),可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。 交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，如控制信號(hào)消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)： 1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。 圖3 伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性 2、運(yùn)行范圍較寬 如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動(dòng)機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。 3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S曲線）如圖4所示，與普通的單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性（圖中T′－S曲線）不同。這時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩T是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖4 伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性 圖5是伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性曲線。負(fù)載一定時(shí)，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時(shí)，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降。 圖5 伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。 交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。 ***機(jī)器手伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 變頻與伺服的關(guān)系：目前市場(chǎng)上變頻控制器的用途要大大的大于伺服機(jī)構(gòu)，有必要搞清伺服和變頻兩個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系，以便提高可參考設(shè)計(jì)的途徑，這樣才能以最低的成本達(dá)到設(shè)計(jì)出自己的伺服控制的目的。 簡(jiǎn)單的說：變頻只是伺服的一個(gè)部分，伺服是在變頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉環(huán)的精確控制從而達(dá)到更理想的效果。 我們的目標(biāo)和步驟要在變頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先解決電機(jī)的驅(qū)動(dòng)問題，達(dá)到調(diào)速目的，然后加入對(duì)反饋的采樣，設(shè)計(jì)自己的PID算法，最終完成閉環(huán)控制。 當(dāng)然，這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有難度的，因?yàn)楹?jiǎn)單的看如果系統(tǒng)完成僅僅做一個(gè)單獨(dú)的伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)就已經(jīng)能有一定的市場(chǎng)，如果系統(tǒng)簡(jiǎn)單的話，伺服系統(tǒng)的價(jià)格應(yīng)該不是現(xiàn)在的價(jià)位！所以正確的分析系統(tǒng)難度是保證系統(tǒng)的正確完成的基礎(chǔ)。 首先控制部分的算法是各廠家保密的技術(shù)環(huán)節(jié)，如果僅僅使用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電容移相的控制方式不適合于高精度定位控制的需要。那么我們必然要選擇AC-DC-AC的過程，這中間的DC-AC的三相逆變技術(shù)是必須要攻克的。如果簡(jiǎn)單的PWM電機(jī)調(diào)速使用通常的技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)，但是相對(duì)高頻的（400HZ）三相逆變需要系統(tǒng)處理要有很高的速度。 其次DSP技術(shù)的應(yīng)用需要比較高的理論基礎(chǔ)，這對(duì)我們是一種挑戰(zhàn)，合理的算法和處理機(jī)制是實(shí)現(xiàn)最終控制的必然途徑，要克服理論上的差距，必要的學(xué)習(xí)和鉆研過程是不可避免的。這中間和熟悉的技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品的差異是時(shí)間的損耗！ PID的控制算法是銷售伺服控制系統(tǒng)公司的技術(shù)命脈，PID算法的好壞直接決定下一步機(jī)械手系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和系統(tǒng)精度的保證。對(duì)任何公司來說，設(shè)計(jì)專用的PID算法都是公司技術(shù)含量最高的部分。這部分包含自動(dòng)控制算法、錯(cuò)誤的處理和動(dòng)作判斷以及控制方式的選擇。 伺服電機(jī)的選擇： 目前定型為松下400HZ36V三相交流伺服電機(jī)？（原因） 伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理： 交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機(jī)的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機(jī)的控制方式來實(shí)現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的各類晶體管（IGBT，IGCT等）通過載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動(dòng)電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機(jī)的速度就可調(diào)了（n=60f/2p ，n轉(zhuǎn)速，f頻率， p極對(duì)數(shù)）。 交流伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號(hào)的方式不同，可以分為模擬式伺服、數(shù)字模擬混合式伺服和全數(shù)字式伺服；如果按照使用的伺服電動(dòng)機(jī)的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動(dòng)機(jī)（無刷直流機(jī)）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中含有滑差頻率計(jì)算部分。若采用微處理器軟件實(shí)現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和鼠籠型異步伺服電動(dòng)機(jī)使用同一套伺服放大器。 1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)(通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生)?？梢酝ㄟ^即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。 　　2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。 　　3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。 交流伺服電動(dòng)機(jī)有以下三種轉(zhuǎn)速控制方式： u 幅值控制 控制電流與勵(lì)磁電流的相位差保持90不變，改變控制電壓的大小。 u 相位控制 控制電壓與勵(lì)磁電壓的大小，保持額定值不變，改變控制電壓的相位。 u 幅值—相位控制 同時(shí)改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓相位的反相而改變。 一般伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖 伺服電機(jī)控制部分框圖 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟： （1） 制定控制方案的技術(shù)路線，確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制電路： a) 首先確認(rèn)使用DSP的廠家型號(hào)； b) 找出使用該信號(hào)控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的模型；（最好可以演示） c) 繪制控制部分原理圖和PCB圖通過試驗(yàn)手段，試驗(yàn)各種控制模式下電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)； d) 封裝硬件及軟件模塊； （2） 本階段總結(jié)上一階段的試驗(yàn)成果，吸收并進(jìn)一步測(cè)試各種控制的適用范圍，制定電機(jī)控制模塊的通訊協(xié)議、控制模式和PID控制的指導(dǎo)方案： a) 測(cè)試反饋信號(hào)和處理速度之間的匹配； b) 封裝模塊的適用范圍測(cè)試； c) 論證機(jī)械手系統(tǒng)適用的伺服電機(jī)控制方式； d) 確認(rèn)系統(tǒng)整體功能需求。 （3） 整體系統(tǒng)方案確認(rèn)階段： a) 機(jī)械手綜合控制單元的功能確認(rèn)； b) 人機(jī)界面：按鍵和顯示單元的模塊試驗(yàn)； c) 通訊方式的測(cè)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試； d) 逐次增加電機(jī)的數(shù)量，測(cè)試電機(jī)的協(xié)調(diào)性動(dòng)作和模塊封裝； e) 電路安裝的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。 （4） 綜合設(shè)計(jì)階段： a) 全部硬件的綜合性能調(diào)試； b) 不同控制模式和不同動(dòng)作下，細(xì)致動(dòng)作的準(zhǔn)確性測(cè)試； c) 復(fù)雜動(dòng)作的壓力測(cè)試和快速反應(yīng)的數(shù)據(jù)流量測(cè)試； d) 整體功耗測(cè)試和烤機(jī)測(cè)試。 （5） 聯(lián)機(jī)調(diào)試階段： a) 脫機(jī)操作的各種動(dòng)作的穩(wěn)定性測(cè)試； b) 待機(jī)狀態(tài)的EMC測(cè)試和硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)驗(yàn)證； c) 聯(lián)機(jī)狀態(tài)下的綜合動(dòng)作測(cè)試及到位反饋； d) 模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的烤機(jī)測(cè)試。 第一階段所涉及到技術(shù)細(xì)節(jié)及難點(diǎn)分析 如上圖首先要通過數(shù)學(xué)手段，模擬出三相逆變的交流400HZ控制電源；數(shù)學(xué)模型和6路3對(duì)上下臂的PWM輸出方式是這一階段的兩個(gè)難點(diǎn)。 上圖為三相逆變電路的原理圖，但是根據(jù)此原理圖對(duì)功率模塊的測(cè)試和對(duì)稱性選擇會(huì)嚴(yán)重的阻礙項(xiàng)目的進(jìn)度。根據(jù)，目前掌握的情況，建議我們直接選擇IPM模塊。下圖為IPM模塊的功能圖。根據(jù)前期進(jìn)度要求，同時(shí)建議使用單電源的IPM模塊。 圖1 hvic內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 單電源ipm 內(nèi)部電路 附錄：伺服馬達(dá)編碼器工作原理