伺服驅動系統工作原理

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1、伺服驅動系統工作原理阜特科技內部講義內容內容u基本概念u組成部分u工作原理定義定義u“伺服”一詞源于 希臘語“奴隸(SERVO)”的意思。u伺服系統:是使物體的位置、方位、狀態等輸出,能夠跟隨輸入量(或給定值)的任意變化而變化的自動控制系統。u伺服是指裝置跟隨指令的能力,驅動是指它能通過功率器件驅動電動機運轉,所以,很多時候有伺服驅動器、伺服驅動系統的說法。主要功能主要功能u采樣:對指令、電流、速度、溫度等模擬信號進行采樣,以便微處理單元(MCU)能對它進行計算處理。u計算:對模擬信號進行濾波處理;根據接收的數字信號、模擬采樣結果等,進行變換、計算及處理,得到輸出信號,用于功率驅動。主要功能主

2、要功能u驅動控制:按照控制命令要求,對信號進行變換、調控和功率放大等處理,使驅動裝置輸出的力矩、速度及位置都能得到靈活方便的控制。u通訊功能:通常有RS485、CAN、數字IO、模擬IO等接口功能,使其能和其它控制設備進行信息交換。主要功能主要功能u編碼器接口:為了便于和編碼器的連接,一些伺服驅動器具有編碼器接口功能。u旋轉變壓器接口:一些伺服驅動器的使用條件比較惡劣,要求采用旋轉變壓器作為速度或位置反饋部件,此時,需要具有旋轉變壓器接口功能。組成組成以我們的伺服為例以我們的伺服為例l伺服驅動系統由機械及電子兩部分組成。l機械部分是指其外殼、底板、支撐件及連接件等。l電子部分包括硬件及軟件。l

3、硬件通常由控制處理電路、信號驅動電路、功率驅動電路、檢測、保護及主電路等組成。l伺服系統的所有功能都是軟件配合硬件一起完成的。外形圖外形圖外形圖外形圖接口說明接口說明l三相交流電源輸入口(線電壓275V10%)L1-L2-L3,機殼地PE;L1 L2 L3 PE接口說明接口說明l功率輸出接口U,V,W;泄放電阻接口RB+,RB-;吸收電容接口ZK+,ZK-;機殼地PE;U V W RB+RB-ZK+ZK-PE接口說明接口說明復位按鈕地址編碼PT100數字IO485接口LED指示燈接口說明接口說明地址編碼:從左到右是高位到低位,能表示0-15個地址碼。數字IO:從左到右分別是OSD00和24V地

4、。接口說明接口說明數字IO:從左到右分別是伺服使能信號24V地,24V電源輸出,空位,模擬指令-,模擬指令+,數字輸出信號OSD01,電機報警信號MOTORALARM,伺服就緒信號SVREADY,數字輸入ISD00,ISD01,START,ENP0。接口說明接口說明485接口:從左到右分別是伺服使能信號24V地,24V電源輸出,機殼地,模擬地,485B,485A。接口說明接口說明LED指示燈:由紅黃綠三種顏色的指示燈的各種組合來指示伺服系統運行中的狀態,詳細的說明見產品使用說明書。接口說明接口說明CAN接口RS232接口旋變接口24V電源輸入接口說明接口說明CAN接口:從左到右分別為CAN-,

5、CAN+,模擬地。RS232接口:從左到右分別為機殼地,模擬地,232TX,232RX。旋變接口:從左到右分別為EXC+,EXC-,SIN+,SIN-,COS+,COS-,模擬地,+5V輸出。24V電源輸入,上+下-。工作原理工作原理l直流伺服的依據RLMotoru等效電路如右所示,直流電機的電壓平衡公式如右所示,R為電機繞組等效電阻,L為電機繞組等效電感,e為感應電動勢。當電壓平衡時,又由于電阻比較小,ue。e跟電機本身有關,當電機選定后,和轉速成正比,所以,控制電壓就相當于控制了轉速。因此,調速的依據是改變加在電機繞組上的電壓。工作原理工作原理l直流伺服的依據 根據物理學的知識,我們知道,

6、位移是速度的積分,速度是加速度的積分,為了達到快速、精確的位置控制的目的,控制器對速度和加速度都要快速準確的響應。加速度和轉矩成正比,而轉矩又正比于電流,所以,我們要設計三個控制環,分別對電流、速度和位置進行控制。三個環的其中部分環或全部參與控制,構成了伺服驅動器的幾種工作模式。為了能快速準確的響應,控制環都設計成閉環,即反饋控制環,如上圖所示,G(s)為被控對象的模型函數,H(s)為反饋通道的傳遞函數。r(t)輸入,u(t)是輸出。工作原理工作原理l隨著微電子技術、電力電子技術,嵌入式計算技術的進步,現代的伺服系統大多設計為數字伺服系統。l數字伺服系統需要硬件和軟件配合來完成伺服系統的所需的

7、功能。l硬件是伺服系統的骨架,軟件是伺服系統的靈魂,通常,硬件是給伺服系統實現功能提供了條件,軟件實現具體的算法。工作原理工作原理l右圖是一個典型的伺服驅動系統硬件原理框圖。工作原理工作原理l伺服驅動系統是典型的反饋控制系統,它遵循反饋控制系統的一般規律。l下圖是一個典型的反饋控制系統。lr(t)為給定量,y(t)為反饋量,e(t)為誤差信號,u(t)為輸出量,G(s)為被控對象的S模型,H(s)為反饋濾波器的傳遞函數。工作原理工作原理l伺服驅動系統通常設計成三閉環控制器,三閉環是指電流環、速度環和位置環。l設計成三閉環是為了達到能動態響應的目的,電流環能快速跟蹤電流指令,速度環快速跟隨速度指

8、令,位置環對執行機構進行精確的定位。工作原理工作原理u下圖為伺服驅動系統的三閉環控制原理框圖;u控制器包含ACR、ASR、APR三個控制環;u外環的輸出作為內環的輸入;u可以達到快速響應電流、速度和位置的目的。工作原理工作原理l設計伺服驅動系統的關鍵任務之一,是要設計合適的控制器(調節器);l通??刂破髟O計為PID控制器,因為PID控制器適應面廣,不需要被控對象精確的數學模型,參數容易整定,能解決過程控制中的大多數問題。工作原理工作原理lPID即比例、積分、微分控制器;l比例P的作用是對誤差進行放大,加快響應速度;l積分的作用是提高系統型別,消除靜態誤差;l微分的作用是增加阻尼,提高系統的穩定

9、性,但它對干擾很敏感,很容易帶來干擾。工作原理工作原理l穩態誤差l控制系統型別v=0稱為0型系統,v=1稱為型系統,v=2稱為型系統。設開環傳遞函數為:工作原理工作原理l例1:校正前后頻率響應曲線對比工作原理工作原理l上圖對應的階躍響應圖工作原理工作原理l例2:校正前后頻率響應曲線對比工作原理工作原理l上圖對應的階躍響應圖工作原理工作原理u從前面的討論可以看出,伺服驅動系統的工作過程很簡單。u首先伺服驅動系統要接收指令;u然后,伺服裝置根據用戶選擇的工作模式(通常有力矩、速度、位置三種),執行不同的運算及控制;u此外,伺服裝置能跟其它設備接口,根據外界的環境進行啟停、狀態切換及保護等。工作原理工作原理l伺服驅動系統的關鍵之處之一是設計一個穩定可靠的硬件平臺;l其二是設計適合的控制器,達到快速、平穩、準確的響應。l控制器設計完以后,需要進行參數整定。對于采用PID控制率的控制器,主要需要進行PID參數的合理設置,還需要根據電流、速度等物理量的額定值對反饋的調整系數進行合理設置。工作原理工作原理lPID參數整定的一般方法是先整定P參數,再整定I參數,最后整定D參數;l控制器參數整定一般是先整定內環參數,再整定外環參數。l伺服驅動系統都留有用戶進行參數整定,反饋系數調整等接口,方便用戶根據不同應用場合進行配置。Thats all.Thank you!l謝謝!

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