伺服控制系统(设计)复习过程

第一章伺服系统概述

伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。

目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

1.1伺服系统的基本概念

1.1.1伺服系统的定义

“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。

伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成

伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。

1.1.3伺服系统性能的基本要求

1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。

2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。

3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。

4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。

5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。

1.1.4 伺服系统的种类

伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。

电器伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。交流伺服系统又有感应电机伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。

1.2 伺服系统的发展过程

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程，电器伺服系统的发展则与伺服电机的不同发展阶段具有紧密的联系，伺服电机至今已有50多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段。

第一发展阶段（20世纪60年代以前）：此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制多为

开环控制。这一时期是液压伺服系统系统的全盛期。液压伺服系统能够传递巨大的转矩，控制简单，可靠性高，在整个速度范围内保持恒定的转矩输出，主要应用在重型设备和一些关键场合，比如机场设备。但它也存在一些缺点，例如发热大、效率低、易污染环境、不易维修等。

第二个发展阶段（20世纪60至70年代）：这一阶段是直流伺服电机的诞生和全胜发展时代，由于直流电机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电机，伺服系统的位置控制也由开环控制系统发展成为闭环系统。但是，直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，换向器成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。由于人们通过材料和工艺的改进来尽量提高直流伺服的生命力，因此直流伺服电机仍将在相当长的时间内得到应用，只是市场份额预计会持续下降。

第三发展阶段（20世纪80年代至今）：这一阶段是以机电一体化时代作为时代背景的。由于伺服电机结构及永磁材料、半导体功率器件技术、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机（方波驱动）、交流伺服电机（正弦波驱动）、矢量控制的感应电机和开关磁阻电机等新型电机。尤其是80年代以来，矢量控制技术的不断成熟，极大地推动了交流伺服驱动技术的发展，是交流伺服驱动系统的性能可以与直流伺服系统媲美。伺服驱动装置经历了模拟式——数字模拟混合式——全数字化的发展。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。

交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，过载能力强和转动惯量低体现出了交流伺服系统的优越性。交流伺服系统采用以微处理器为基础的系统芯片和智能化功率器件，很好的克服了伺服系统中模型参数变化和非线性等不确定因素，提高了系统的鲁棒性和容错性，成功实现了高精度伺服控制。特别是控制理论的新发展及智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使基于智能控制理论的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略完美结合，为交流伺服系统的实际应用奠定了坚实的基础。

1.3元件选择

1.3.1功率变换器

交流伺服系统功率变换器的主要功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的直流电能转变为伺服电机电枢绕组中的三相交流电流，以产生所需要的电磁转矩。功率变换器主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主电路等。

功率变换主电路主要由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成。为了保证逆变电路的功率开关器件能够安全、可靠地工作，对于高压、大功率的交流伺服系统，有时需要有压抑电压、电流尖峰的“缓冲电路”。另外，对于频繁运行于快速正反转状态的伺服系统，还需要有消耗多余再生能量的“制动电路”。

控制电路主要由运算电路、PWM生成电路、检测信号处理电路、输入输出电路、保护电路等构成，其主要作用是完成对功率变换主电路的控制和实现各种保护功能等。

驱动电路的作用是根据控制信号对功率半导体开关进行驱动，并为器件提供保护，主要包括开关器件的前级驱动电路和辅助开关电源电路等。

1.3.2传感器

在伺服系统中，需要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变换电路。

电流检测通常采用电阻隔离检测或霍尔电流传感器。直流伺服电机只需一个电流环，而交流伺服电机（两相交流伺服电机除外）则需要两个或三个。其构成方法也有两种:一种是交流电流直接闭环；另一种是把三相交流变换为旋转正交双轴上的矢量之后再闭环，这就需要把电流传感器的输出信号进行坐标变换的接口电路。

速度检测可采用无刷测速发电机、增量式光电编码器、磁编码器或无刷旋转变压器。位置检测通常采用绝对式光电编码器或无刷旋转变压器，也可采用增量

式光电编码器进行位置检测。由于无刷旋转变压器具有既能进行转速检测又能进行绝对位置检测的优点，且抗机械冲击性能好，可在恶劣环境下工作，在交流伺服系统中的应用日趋广泛。

1.3.3控制器

在交流电机伺服系统中，控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个系统的性能。

交流电机伺服系统通常有两类，一类是速度伺服系统；另一类为位置伺服系统。前者的伺服控制器主要包括电流(转矩)控制器和速度控制器，后者还要增加位置控制器。其中电流（转矩）控制器是关键的环节，因为无论是速度控制还是位置控制，最终都将转换为对电机的电流（转矩）控制。电流环的响应速度要远远大于速度环和位置环。为了保证电机定子电流相应的快速性，电流控制器的实现不应太复杂，这就要求其设计方案必须恰当，使其有效的发挥作用。对于速度和位置控制，由于其时间常数较大，因此可借助计算机技术实现许多复杂的基于现代控制理论的控制策略，从而提高伺服系统的性能。

1.电流控制器

电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流指令信号。为了能够快速、准确地控制伺服电机的电磁转矩，在交流伺服系统中，需要分别对永磁同步电机（或感应电机）的d、q轴电流进行控制。

2.速度控制器

速度环的作用是保证电机的转速与速度指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度控制器直接产生Q轴指令电流，并进一步用d轴电流指令共同作用，控制电机加速、减速或匀速旋转，使电机的实际转速与指令值保持一致。速度控制器通常采用的是PI控制方式。

3.位置控制器

位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过比较设定的目标位置与电机的世纪位置，利用其偏差通过位置控制器来产生电机的速度

指令当电机启动后在大偏差区域，产生最大速度指令，使电机加速运行后以最大速度恒速运行；在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。

第二章喷绘机原理

2.1喷绘机原理单元介绍

2.1.1熔断器

熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器作为短路和过流保护是应用最普遍的保护器件之一，广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中。

熔断器是一种过电流保护电器。熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。

2.1.2 运动控制卡

运动控制卡是一种上位控制单元，可以控制伺服电机，是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过

改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于语限位、原点开关等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。

运动控制卡不仅要发送脉冲给电机驱动器，同时接受伺服电机编码器反馈的脉冲数，还接受光栅尺反馈信号，进而控制伺服电机的转速。伺服驱动器既要与运动控制卡有数据线连接，其本身还要连接插座电源。

如果你的运动控制卡时比较好的卡，伺服刷新率可以达到要求，可以把编码器反馈直接接到运动控制卡，形成一个整体的闭环。若对对精度有很高的要求可以用双闭环，运动控制卡就是根据要求x-y平台运行的位置，控制电机运动到准确的位置。

2.1.3PC总线

现有的放开式数控系统实现方案主要采用PC机和数控系统结合的方法，PC 机作为上位机实现较为复杂的网络通信，人机交互等功能，数控系统作为下位机将上位机输入的运行参数经过处理交给执行部件执行，同时将检测系统的反馈信息上传给上位机实现实时监控，各个模块之间协调工作互不干扰，给系统升级带来了方便。

放开式系统动态控制器的核心是DSP，它具有运算速度快，支持复杂运动算法的特点，可以满足高精度运动控制的要求，因此，以DSP为核心的多轴动态控制卡越来越广泛地应用在运动控制系统中，将多轴动态控制卡插在PC机扩展槽上，就可以组成高精度运动控制系统，位置反馈信号的采集、闭环控制计算及控制量的输出均由动态控制卡完成，极大的提高了运算速度和控制响应速度，将工控机的资源从烦琐的数据采集和计算中解决出来，从而可以更好的实施整个控制系统的管理。

2.1.4驱动器

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，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，事项数字化、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。编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

驱动器是一个驱动放大元件，只是把上位机（如运动控制卡）发来的一些信号进行放大，以致使电机可以运转起来。MAC系列运动控制卡是基于总线的电机运动控制卡。采用专用控制芯片为核心器件，输入输出信号均为光电隔离，可与各种类型的步进电机驱动器连接，驱动步进电机，构成高精度位置控制系统或调速系统。可与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机界面的管理和其它管理工作；而控制卡负责运动控制方面的所有细节。用户通过我们提供的动态链接库可方便快速的开发出自己需要的运动控制功能。

2.1.5 驱动器结构

图4.2 驱动器结构

2.2 编码器

编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

2.2.1 编码器优点

工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：

1. 信息化除了定位，控制室还可知道其具体位置。

2. 柔性化定位可以在控制室柔性调整。

现场安装的方便和安全，拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个μ到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

3. 多功能化除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

4. 经济化对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。2.2.2 编码器工作原理

由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5-10000线。

信号输出有正弦波（电流或电压），方波（TTL、HTL），集电极开路（PNP、NPN），推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A，A-；B，B-；Z，Z-），HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器PLC、计算机，PLC和计算机