伺服系统工作原理

第一部分：伺服系统的工作原理 伺服系统(servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制 被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规 律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功 能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控 机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量 较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。其基本工作原理和普通的交直流电机 没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一 般其内部包括转矩（电流）、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开 环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反 馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这 3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。 伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。 全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬 件大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元；检测器单元；数 字控制器单元；接口单元。相对应伺服系统由外到内的"位置"、"速度"、"转矩" 三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。

在使用位置控制方式时，伺服完 成所有的三个闭环的控制。在使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电 流）两个闭环的控制。一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺 服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。另外， 有人认为位置控制方式容易受到干扰。而扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩 的闭环控制，即电流控制，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单 一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式， 用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。 『伺服机构系统』源自servomechanism system，系指经由闭回路控 制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统。一个伺 服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、控制器 (controller)等几个部分，受控体系指被控制的物件，例如一格机械手 臂，或是一个机械工作平台。致动器的功能在於主要提供受控体的动 力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱 动方式，一般称之为油压伺服系统。目前绝大多数的伺服系统采用电 力驱动方式，致动器包含了马达与功率放大器，特别设计应用於伺服 系统的马达称之为伺服马达(servo motor)，通常内含位置回授装置， 如光电编码器(optical encoder)或是解角器(resolver)，目前主要应用於 工业界的

伺服马达包括直流伺服马达、永磁交流伺服马达、与感应交 流伺服马达，其中又以永磁交流伺服马达占绝大多数。控制器的功能 在於提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、与位置 控制等。目前一般工业用伺服驱动器(servo drive)通常包含了控制器与 功率放大器。 一个传统伺服机构系统的组成如图1所示，伺服驱动器主要 包含功率放大器与伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控 制器与扭矩控制器，马达通常提供类比式的速度回授信号， 控制界面采用±10V的类比讯号，经由外回路的类比命令， 可直接控制马达的转速或扭矩。采用这种伺服驱动器，通常 必须再加上一个位置控制器(position controller)，才能完成 位置控制。图2所示是一个现代的伺服机构系统架构图，其 中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服马达 提供解析度的光电编码器回授信号。 图1. 一个传统伺服机构系统的组成 图2. 现代伺服机构系统的组成 多轴运动控制系统 精密伺服系统多应用於多轴运动控制系统，如工业机 器人、工具机、电子零件组装系统、PCB自动差建机等等。 图3所示是一个运动控制平台的方块图，工作物件的位置控 制可藉由平台的移动来达成，平台位置的侦测有两种方式， 一种是藉由伺服马达本身所安装的光电编码器，由於是以 间接的方式回授工作物件的位置，再藉由闭回路控制达到 位置控制的目的，因此也称之为间接位置控制

(indirect position control)。另一种方式是直接将位置感测元件安装 在平台上，如光学尺、雷射位置感测计等等，直接回授工 作物件的位置，再藉由闭回路控制达到位置控制的目的， 称之为直接位置控制(direct position control)。 一个多轴运动控制系统由高阶的运动控制器(motion controller)与低阶的伺服驱动器(servo drive)所组成，运动 控制器负责运动控制命令解码、各个位置控制轴彼此间的相对 运动、加减速轮廓控制等等，其主要关键在於降低整体系统运 动控制的路径误差；伺服驱动器负责伺服马达的位置控制，主 要关键在於降低伺服轴的追随误差。图5所示是一个双轴运动 控制系统的简化控制方块图，在一般的情况下x-轴与y-轴的动 态响应特性会有相当大的差异，在高速轮廓控制时 (contouring control)，会造成显著的误差，因此必须设计一 个运动控制器以整体考量的观点解决此一问题。 图3. 双轴运动控制系统 图4. 双轴运动控制系统的简化控制方块图 图5. 网路控制分散式伺服系统 图6. 伺服系统的整合 图

7. 伺服系统的阶层式控制架构 图8. 伺服系统的环状多回路控制架构 图9. 现代伺服系统的阶层式控制介面 图10. 直流伺服驱动器的系统方块图 图11. 交流伺服驱动器的系统架构图 图12. 泛用型伺服驱动器的系统架构图 图13. 一个典型闭回路控制系统的方块图 图14. 伺服系统的环状多回路控制架构 图15. 一个典型的多回路直流伺服系统控

制方块图 图16. 实用的工业数位伺服控制法则 图17. 伺服马达驱动系统的自调控制架构 图18. 数位马达控制技术的演进 图19. 以DSP为核心的伺服系统解决方案 图20. DSP数位伺服驱动器的硬体电路图 (TI Application Note) The Resolver 6 1 The resolver is essentially a rotating transformer 6 1 Very rugged device - no electronic or optical components 6 1 Provides absolute position within a revolution 6 1 Frameless resolvers mount directly on the motor shaft without the need for couplings 6 1 Preferred solution for general purpose applications Excitation Sine Cosine Three Primary Control Variables Position Velocity Torque Closed Loop Control FEEDBACK Compensator Commanded Velocity Drive Actual Velocity Velocity Error + - Motor FB Velocity Feedback The Position Servo Compensator Commanded Position Drive Actual

Position Position Error + - Motor FB Position Feedback The Three Loops Position Velocity Torque 伺服驱动器控制原理图 Velocity Command To Inner Loop Actual Position Motor FB + - + - + - Pcomp Vcomp Icomp Actual Velocity Current Command To Inner Loop Vder* Actual Current + Motor FB + - Vcomp Icomp Vderived - Pderived Controller Drive Current Limit Velocity Command Position Feedback + -

Pcomp Vff + + Velocity Command Architecture 2 速度控制结构2 + - Pcomp Vff + Motor FB + - Vcomp Icomp

Vderived - + Pderived Controller Drive Velocity Command Position Feedback Velocity Feedforward Lexium 24V Fuses Contactor Choke Motor Brake Motor Connection Brake Timing Enable Input Speed Brake Output Enable Power Section Emergency Stop - Preferred Lexium 24V Fuses Contactor Motor 3 Phase Contactor Dynamic Braking

Resistors Motor Feedback Options Encoder Resolver Motor Overtemperature Lexium 24V Fuses Contactor Motor Feedback and Overtemperature Power Internal Memory Working Memory Non Volatile Defaults The Step Response 6 1 How a control loop responds to a small step change is a good indicator of how well the system has been tuned 6 1 The rise-time (tr) is shorter if the bandwidth is high 6 1 The higher the proportional gain the higher the bandwidth 6 1 The red curve shows some ringing and indicates that we are starting to see some phase shift. The green curve shows a critically damped control loop with close to the ideal response 6 1 In practice a small

amount of ringing is acceptable since the rise-time is a little shorter i.e. faster response Time Actual Velocity Ringing Tr

Tuning - The Golden Rules 6 1 Command the System to Do Only What it is Capable of – If the motor and drive is incorrectly sized for the desired motion profile no amount of tuning will yield the desired results 6 1 Tune Inside Out – It is essential to tune the inner loops first. A common mistake is to have a low bandwidth, poorly tuned velocity loop then try to tune the position loop. The position loop can never be properly tuned because of the phase shift in the inner loop 6 1 Proper Grounding and Shielding – Great care must be taken in following the grounding and shielding procedures in the installation manual. If there is excessive system noise the system must be detuned (low bandwidth) so that it is not excited by high frequency noise 6 1 Robust Mechanical Design – Ensure that there is minimum flexibility in the mechanical system and that couplings are tight. Without a good mechanical design, resonances will be introduced which again force system detuning Velocity Control Architecture + + - P+I P+I Vderived - Pderived Position Feedback Proportional Plus Integral Velocity Loop Position Control Architecture + - P+I Vff + + - P P+I Vderived - + Pderived Position Feedback Proportional Velocity Loop Oscilloscope Time Velocity

Oscilloscope Operating Modes 6 1 Reversing - step change in velocity 6 1 Constant speed 6 1 Constant torque 6 1 Constant current The Current Loop 6 1 The current loop is configured automatically when the motor is selected. It is usually not necessary to modify parameters. Optimizing Velocity Loop Step Response

6 1 Proportional Gain – Higher proportional gain results in faster rise time but more overshoot and ringing. The optimum response is a small amount of overshoot with minimal ringing 6 1 Integral Gain – Higher integral gain improves immunity to disturbances but increases ringing. In a high friction system the integral gain can be increased more significantly Time Velocity The Position Loop 6 1 The integral term moves from the velocity loop to the

position loop. It should normally be increased 2-3 times the value from the optimized speed loop. A higher integral gain reduces following error but increases ringing 6 1 The proportional gain may require no adjustment. A higher gain reduces following error bu increases ringing 6 1 Following error is significantly reduced by Vff which

normally requires no adjustment from the default 第二部分：伺服电机的工作原理 无刷永磁电机原理图 Rotor

Magnets 3 Phase Stator Windings Phase A Phase B Phase C Motor Inertia m F Force = mass x linear acceleration J T Torque = inertia x angular acceleration Step 2 Step 3 Step 4 Step 1 步进电机原理图 Servo/Stepper Comparison Feature Servo Stepper Torque/Speed Excellent Limited Efficiency High Low Position Information Yes Possible Lost Steps Ease of Use Requires Tuning Very Simple Settling Time Excellent Poor to Fair Cost Higher Lower Position Resolution High Limited Resonances Low High Velocity Ripple Excellent Poor Runaway Take Precautions Inherently Safe DC Permanent Magnet Motor - Theory of Operation N S + _ Magnetic Field Around Rotor Coil Permanent Magnet Stator Brush Commutator Rotor Coils Multiple Poles and Coils S N S N S N Feedback Devices Explain the feedback concepts of resolution, accuracy and repeatability Discuss resolvers and encoders and how they work Compare feedback options and review relative benefits Resolution Higher Resolution Lower Resolution Accuracy Higher Accuracy Lower Accuracy 6 1 Accuracy defines how close each measured position is to the actual physical position 6 1 The higher accuracy example has a tighter tolerance for the placement of each increment

Repeatability High Repeatability 6 1 In the example above, the accuracy is poor but the repeatability is good Incremental, Absolute and Multiturn Position Change Actual Position Within Revolution Incremental Absolute Multiturn Actual Position Over Multiple Revolutions The Incremental Encoder Sensor 1 Sensor 2 Moving Disk Light Source Sensor 1 Sensor 2 6 1 The encoder uses optical scanning of a fine grating in the form of a moving disc 6 1 The incremental encoder can only measure position changes 6 1 Digital pulse ouputs are typically provided which can be counted by the controller 6 1 A third sensor is often used to generate a marker pulse at a

specific position within a revolution The Absolute Encoder 6 1 The absolute encoder has multiple disks which completely define position within a revolution 6 1 With mechanical gearing of the disk to another moving disk it is possible to define position over multiple revolutions 6 1 The encoder interface to the is typically Endat/Hyperface or SSI 总结 6 1 交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子两种结构 6 1 形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个 6 1 绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相

差90°电角度。固定和保 6 1 护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普 6 1 通三相笼式电机相同。杯形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4，杯 6 1 形转子3和内定子5三部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同， 6 1 转子则由非磁性导电材料（如铜或铝）制成空心杯形状，杯子底部固定在转 6 1 轴7上。空心杯的壁很薄（小于0.5mm），因此转动惯量很小。内定子由硅钢 6 1 片叠压而成，固定在一个端盖1、8上，内定子上没有绕组，仅作磁路用。电 6 1 机工作时，内、外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转 6 1 动。对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放 6 1 在内、外定子铁心的槽内。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机 6 1 无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流 6 1 伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它 6 1 已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动 6 1 机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 6 1 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组 6 1 通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋 6 1 转磁场以

同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场 6 1 分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电 6 1 流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方 6 1 向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信 6 1 号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产 6 1 生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋 6 1 转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向 6 1 相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向 6 1 旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不 6 1 等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转 6 1 动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及 6 1 其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电 6 1 压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺 6 1 服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是 6 1 脉动磁场，转子很快地停下来。 6 1 为使交流伺服电机具有控

制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电 6 1 阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制 6 1 信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁 场可 6 1 视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。图3-13画出正向及反向旋转磁场 6 1 切割转子导体后产生的力矩一转速特性曲线1、2，以及它们的合成特性曲线 6 1 3。图3-13b中，假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于A点， 6 1 此时负载力矩是。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为 6 1 正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线3运行。由于转 6 1 子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方 6 1 向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。 6 1 必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态 下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程 度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通 异步电动机的根本区别。