伺服驅(qū)動系統(tǒng)設計方案.doc

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伺服驅(qū)動系統(tǒng)設計方案 伺服電機的原理： 伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。與普通電機一樣，交流伺服電機也由定子和轉(zhuǎn)子構成。定子上有兩個繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差90電角度。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動控制的u／V／W三相電形成電磁場 轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度{線數(shù))。 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(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,可使控制速度,位置精度非常準確。 交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時，它不應轉(zhuǎn)動，特別是當它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應電動機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。 交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點： 1、起動轉(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，與普通異步電動機的轉(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（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。 圖3 伺服電動機的轉(zhuǎn)矩特性 2、運行范圍較寬 如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動機都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。 3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉(zhuǎn)。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(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機的轉(zhuǎn)矩特性（圖中T′－S曲線）不同。這時的合成轉(zhuǎn)矩T是制動轉(zhuǎn)矩，從而使電動機迅速停止運轉(zhuǎn)。 圖4 伺服電動機單相運行時的轉(zhuǎn)矩特性 圖5是伺服電動機單相運行時的機械特性曲線。負載一定時，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時，負載增加，轉(zhuǎn)速下降。 圖5 伺服電動機的機械特性 交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。 交流伺服電動機運行平穩(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機相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。 ***機器手伺服控制系統(tǒng)設計分析 變頻與伺服的關系：目前市場上變頻控制器的用途要大大的大于伺服機構，有必要搞清伺服和變頻兩個系統(tǒng)之間的關系，以便提高可參考設計的途徑，這樣才能以最低的成本達到設計出自己的伺服控制的目的。 簡單的說：變頻只是伺服的一個部分，伺服是在變頻的基礎上進行閉環(huán)的精確控制從而達到更理想的效果。 我們的目標和步驟要在變頻系統(tǒng)的基礎上，首先解決電機的驅(qū)動問題，達到調(diào)速目的，然后加入對反饋的采樣，設計自己的PID算法，最終完成閉環(huán)控制。 當然，這種系統(tǒng)的設計是有難度的，因為簡單的看如果系統(tǒng)完成僅僅做一個單獨的伺服電機的控制系統(tǒng)就已經(jīng)能有一定的市場，如果系統(tǒng)簡單的話，伺服系統(tǒng)的價格應該不是現(xiàn)在的價位！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。 首先控制部分的算法是各廠家保密的技術環(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的三相逆變技術是必須要攻克的。如果簡單的PWM電機調(diào)速使用通常的技術手段可以實現(xiàn)，但是相對高頻的（400HZ）三相逆變需要系統(tǒng)處理要有很高的速度。 其次DSP技術的應用需要比較高的理論基礎，這對我們是一種挑戰(zhàn)，合理的算法和處理機制是實現(xiàn)最終控制的必然途徑，要克服理論上的差距，必要的學習和鉆研過程是不可避免的。這中間和熟悉的技術開發(fā)產(chǎn)品的差異是時間的損耗！ PID的控制算法是銷售伺服控制系統(tǒng)公司的技術命脈，PID算法的好壞直接決定下一步機械手系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和系統(tǒng)精度的保證。對任何公司來說，設計專用的PID算法都是公司技術含量最高的部分。這部分包含自動控制算法、錯誤的處理和動作判斷以及控制方式的選擇。 伺服電機的選擇： 目前定型為松下400HZ36V三相交流伺服電機？（原因） 伺服電機的驅(qū)動原理： 交流伺服的技術本身就是借鑒并應用了變頻的技術，在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機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電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機的速度就可調(diào)了（n=60f/2p ，n轉(zhuǎn)速，f頻率， p極對數(shù)）。 交流伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號的方式不同，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機的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動機構成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動機（無刷直流機）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動機伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動機構成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器而感應電動機伺服系統(tǒng)中含有滑差頻率計算部分。若采用微處理器軟件實現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型異步伺服電動機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定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)(通常在有重力負載情況下產(chǎn)生)?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉(zhuǎn)矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會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)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。 　　3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。 交流伺服電動機有以下三種轉(zhuǎn)速控制方式： u 幅值控制 控制電流與勵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 同時改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓相位的反相而改變。 一般伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)框圖 伺服電機控制部分框圖 系統(tǒng)的設計步驟： （1） 制定控制方案的技術路線，確定驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的控制電路： a) 首先確認使用DSP的廠家型號； b) 找出使用該信號控制器驅(qū)動伺服電機的模型；（最好可以演示） c) 繪制控制部分原理圖和PCB圖通過試驗手段，試驗各種控制模式下電機的運轉(zhuǎn)； d) 封裝硬件及軟件模塊； （2） 本階段總結(jié)上一階段的試驗成果，吸收并進一步測試各種控制的適用范圍，制定電機控制模塊的通訊協(xié)議、控制模式和PID控制的指導方案： a) 測試反饋信號和處理速度之間的匹配； b) 封裝模塊的適用范圍測試； c) 論證機械手系統(tǒng)適用的伺服電機控制方式； d) 確認系統(tǒng)整體功能需求。 （3） 整體系統(tǒng)方案確認階段： a) 機械手綜合控制單元的功能確認； b) 人機界面：按鍵和顯示單元的模塊試驗； c) 通訊方式的測試和聯(lián)機調(diào)試； d) 逐次增加電機的數(shù)量，測試電機的協(xié)調(diào)性動作和模塊封裝； e) 電路安裝的結(jié)構方案設計。 （4） 綜合設計階段： a) 全部硬件的綜合性能調(diào)試； b) 不同控制模式和不同動作下，細致動作的準確性測試； c) 復雜動作的壓力測試和快速反應的數(shù)據(jù)流量測試； d) 整體功耗測試和烤機測試。 （5） 聯(lián)機調(diào)試階段： a) 脫機操作的各種動作的穩(wěn)定性測試； b) 待機狀態(tài)的EMC測試和硬件電路的抗干擾設計驗證； c) 聯(lián)機狀態(tài)下的綜合動作測試及到位反饋； d) 模擬實際現(xiàn)場的烤機測試。 第一階段所涉及到技術細節(jié)及難點分析 如上圖首先要通過數(shù)學手段，模擬出三相逆變的交流400HZ控制電源；數(shù)學模型和6路3對上下臂的PWM輸出方式是這一階段的兩個難點。 上圖為三相逆變電路的原理圖，但是根據(jù)此原理圖對功率模塊的測試和對稱性選擇會嚴重的阻礙項目的進度。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)前期進度要求，同時建議使用單電源的IPM模塊。 圖1 hvic內(nèi)部結(jié)構示意圖 圖2 單電源ipm 內(nèi)部電路 附錄：伺服馬達編碼器工作原理