伺服控制系統(tǒng)(設(shè)計(jì))

1、閱讀使人充實(shí)，會(huì)談使人敏捷，寫(xiě)作使人精確。培根第一章伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是以機(jī)械參數(shù)為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，輸出量能夠自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化，因此又稱之為隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。機(jī)械參數(shù)主要包括位移、角度、力、轉(zhuǎn)矩、速度和加速度。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材料技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，伺服技術(shù)已迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)的步進(jìn)伺服、 直流伺服發(fā)展到以永磁同步電機(jī)、 感應(yīng)電機(jī)為伺服電機(jī)的新一代交流伺服系統(tǒng)。目前，伺服控制系統(tǒng)不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而且在許多高科技領(lǐng)域，如激光加工

2、、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動(dòng)化設(shè)備、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)、 柔性制造系統(tǒng)以及自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中的應(yīng)用也迅速發(fā)展。1.1 伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1 伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制信號(hào)的要求而動(dòng)作，即控制信號(hào)到來(lái)之前，被控對(duì)象時(shí)靜止不動(dòng)的；接收到控制信號(hào)后，被控對(duì)象則按要求動(dòng)作；控制信號(hào)消失之后，被控對(duì)象應(yīng)自行停止。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是按照控制命令要求，對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、速度及位置都能靈活方便的控制。1.1.2 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由檢測(cè)部分、誤差放大部分、 部

3、分及被控對(duì)象組成。1.1.3 伺服系統(tǒng)性能的基本要求1）精度高。伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)出輸入量的精確程度。2）穩(wěn)定性好。穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾的作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。3）快速響應(yīng)。響應(yīng)速度是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4）調(diào)速范圍寬。調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。5）低速大轉(zhuǎn)矩。在伺服控制系統(tǒng)中，通常要求在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)能夠提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩；在高速時(shí)為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。6）能夠頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)切換。1.1.4 伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)按照伺服驅(qū)動(dòng)

4、機(jī)的不同可分為電氣式、液壓式和氣動(dòng)式三種；按照功能的不同可分為計(jì)量伺服和功率伺服系統(tǒng)， 模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)， 位置伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電器伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號(hào)可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。 交流伺服系統(tǒng)又有感應(yīng)電機(jī)伺服系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)兩種。1.2 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過(guò)程， 電器伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服電機(jī)的不同發(fā)展階段具有緊密的聯(lián)系，伺服電機(jī)至今已有50 多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段。第一發(fā)展階段（ 20 世紀(jì) 60 年代以前） ：此階段是以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為中心的時(shí)代， 伺服

5、系統(tǒng)的位置控制多為開(kāi)環(huán)控制。 這一時(shí)期是液壓伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的全盛期。 液壓伺服系統(tǒng)能夠傳遞巨大的轉(zhuǎn)矩，控制簡(jiǎn)單，可靠性高，在整個(gè)速度范圍內(nèi)保持恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，主要應(yīng)用在重型設(shè)備和一些關(guān)鍵場(chǎng)合， 比如機(jī)場(chǎng)設(shè)備。 但它也存在一些缺點(diǎn)， 例如發(fā)熱大、效率低、易污染環(huán)境、不易維修等。第二個(gè)發(fā)展階段（ 20 世紀(jì) 60 至 70 年代） ：這一階段是直流伺服電機(jī)的誕生和全勝發(fā)展時(shí)代， 由于直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能， 很多高性能驅(qū)動(dòng)裝置采用了直流電機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。但是，直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)， 在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱， 影響了與其連接的

6、其他機(jī)械設(shè)備的精度， 難以應(yīng)用到高速及大容量的場(chǎng)合，換向器成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 由于人們通過(guò)材料和工藝的改進(jìn)來(lái)盡量提高直流伺服的生命力，因此直流伺服電機(jī)仍將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)得到應(yīng)用，只是市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)下降。第三發(fā)展階段（ 20 世紀(jì) 80 年代至今） ：這一階段是以機(jī)電一體化時(shí)代作為時(shí)代背景的。 由于伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及永磁材料、 半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、 控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無(wú)刷直流伺服電機(jī)（方波驅(qū)動(dòng)） 、交流伺服電機(jī)（正弦波驅(qū)動(dòng)） 、 矢量控制的感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等新型電機(jī)。 尤其是 80 年代以來(lái)， 矢量控制技術(shù)的不斷成熟， 極大地推動(dòng)了交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展， 是交流

7、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能可以與直流伺服系統(tǒng)媲美。 伺服驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)歷了模擬式數(shù)字模擬混合式全數(shù)字化的發(fā)展。 伺服系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發(fā)展； 在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、 進(jìn)而向接近電動(dòng)機(jī)環(huán)路的更深層發(fā)展。交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、 換向器等機(jī)械部件所帶來(lái)的各種缺點(diǎn)， 過(guò)載能力強(qiáng)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低體現(xiàn)出了交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。 交流伺服系統(tǒng)采用以微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)芯片和智能化功率器件， 很好的克服了伺服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素， 提高了系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)性， 成功實(shí)現(xiàn)了高精度伺服控制。 特別是控制理論的新發(fā)展及智能控制的興起和不

8、斷成熟，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)、 微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展， 使基于智能控制理論的先進(jìn)控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略完美結(jié)合， 為交流伺服系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)問(wèn)是異常珍貴的東西，從任何源泉吸收都不可恥。一一阿卜日法拉茲閱讀使人充實(shí)，會(huì)談使人敏捷，寫(xiě)作使人精確。培根1.3 元件選擇交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是根據(jù)控制電路的指令， 將電源單元提供的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)電樞繞組中的三相交流電流， 以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩。功率變換器主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率變換主電路等。功率變換主電路主要由整流電路、 濾波電路和逆變電路三部分組成。 為了保證逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件能夠安全、

9、可靠地工作， 對(duì)于高壓、 大功率的交流伺服系統(tǒng)，有時(shí)需要有壓抑電壓、電流尖峰的“緩沖電路” 。另外，對(duì)于頻繁運(yùn)行于快速正反轉(zhuǎn)狀態(tài)的伺服系統(tǒng)，還需要有消耗多余再生能量的“制動(dòng)電路” ?？刂齐娐分饕蛇\(yùn)算電路、PW也成電路、檢測(cè)信號(hào)處理電路、輸入輸出電路、 保護(hù)電路等構(gòu)成， 其主要作用是完成對(duì)功率變換主電路的控制和實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能等。驅(qū)動(dòng)電路的作用是根據(jù)控制信號(hào)對(duì)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 并為器件提供保護(hù)，主要包括開(kāi)關(guān)器件的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和輔助開(kāi)關(guān)電源電路等。在伺服系統(tǒng)中， 需要對(duì)伺服電機(jī)的繞組電流及轉(zhuǎn)子速度、 位置進(jìn)行檢測(cè)， 以構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，因此需要相應(yīng)的傳感器及其信號(hào)變換電路。電流

10、檢測(cè)通常采用電阻隔離檢測(cè)或霍爾電流傳感器。 直流伺服電機(jī)只需一個(gè)電流環(huán)，而交流伺服電機(jī)（兩相交流伺服電機(jī)除外）則需要兩個(gè)或三個(gè)。其構(gòu)成方法也有兩種 : 一種是交流電流直接閉環(huán)；另一種是把三相交流變換為旋轉(zhuǎn)正交雙軸上的矢量之后再閉環(huán)， 這就需要把電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換的接口電路。速度檢測(cè)可采用無(wú)刷測(cè)速發(fā)電機(jī)、 增量式光電編碼器、 磁編碼器或無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器。 位置檢測(cè)通常采用絕對(duì)式光電編碼器或無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器， 也可采用增量式光電編碼器進(jìn)行位置檢測(cè)。 由于無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有既能進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)又能進(jìn)行絕對(duì)位置檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)， 且抗機(jī)械沖擊性能好， 可在惡劣環(huán)境下工作， 在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣

11、泛。在交流電機(jī)伺服系統(tǒng)中， 控制器的設(shè)計(jì)直接影響著伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)， 從而在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。交流電機(jī)伺服系統(tǒng)通常有兩類， 一類是速度伺服系統(tǒng)； 另一類為位置伺服系統(tǒng)。 前者的伺服控制器主要包括電流（ 轉(zhuǎn)矩 ） 控制器和速度控制器， 后者還要增加位置控制器。其中電流（轉(zhuǎn)矩）控制器是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因?yàn)闊o(wú)論是速度控制還是位置控制，最終都將轉(zhuǎn)換為對(duì)電機(jī)的電流（轉(zhuǎn)矩）控制。電流環(huán)的響應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于速度環(huán)和位置環(huán)。 為了保證電機(jī)定子電流相應(yīng)的快速性， 電流控制器的實(shí)現(xiàn)不應(yīng)太復(fù)雜， 這就要求其設(shè)計(jì)方案必須恰當(dāng)， 使其有效的發(fā)揮作用。 對(duì)于速度和位置控制， 由于其時(shí)間常數(shù)較大， 因此可借助計(jì)

12、算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的基于現(xiàn)代控制理論的控制策略，從而提高伺服系統(tǒng)的性能。1. 電流控制器電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成， 其作用是使電機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)、 準(zhǔn)確地跟蹤電流指令信號(hào)。 為了能夠快速、 準(zhǔn)確地控制伺服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩， 在交流伺服系統(tǒng)中，需要分別對(duì)永磁同步電機(jī)（或感應(yīng)電機(jī)）的 d、 q 軸電流進(jìn)行控制。2. 速度控制器速度環(huán)的作用是保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速與速度指令值一致， 消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。 速度指令與反饋的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較， 其差值通過(guò)速度控制器直接產(chǎn)生Q軸指令電流，并進(jìn)一步用d軸電流指令共同作用，控制電機(jī)加速、 減速或勻速旋轉(zhuǎn)， 使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。

13、速度控制器通常采用的是 PI 控制方式。3. 位置控制器位置環(huán)的作用是產(chǎn)生電機(jī)的速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位和跟蹤。 通過(guò)比較設(shè)定的目標(biāo)位置與電機(jī)的世紀(jì)位置， 利用其偏差通過(guò)位置控制器來(lái)產(chǎn)生電機(jī)的速度指令當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后在大偏差區(qū)域，產(chǎn)生最大速度指令，使電機(jī)加速運(yùn)行后以最大速度恒速運(yùn)行；在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電機(jī)減速運(yùn)行直至最終定位。學(xué)問(wèn)是異常珍貴的東西，從任何源泉吸收都不可恥。一一阿卜日法拉茲第二章噴繪機(jī)原理2.1 噴繪機(jī)原理單元介紹熔斷器是根據(jù)電流超過(guò)規(guī)定值一定時(shí)間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化， 從而使電路斷開(kāi)的原理制成的一種電流保護(hù)器。熔斷器作為短路和過(guò)流保護(hù)是應(yīng) 用最普遍

14、的保護(hù)器件之一，廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及用電設(shè)備中。熔斷器是一種過(guò)電流保護(hù)電器。熔斷器主要由熔體和熔管兩個(gè)部分及外加填 料等組成。使用時(shí)，將熔斷器串聯(lián)于被保護(hù)電路中，當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過(guò)規(guī) 定值，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體，使電路斷開(kāi)，起到保護(hù)的作用。2.1.2 運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)動(dòng)控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機(jī)，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP及大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào) 控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字 輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖用，通過(guò)改變發(fā)出脈沖

15、的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度， 改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖 / 方向、 脈沖 / 脈沖方式。 脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入 / 輸出點(diǎn)可用于語(yǔ)限位、 原點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。 產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中需要精確定位、定長(zhǎng)的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的底層軟件和硬件集成在一起， 使其具有伺服電機(jī)控制所需的各種速度、 位置控制功能。這些功能能通過(guò)計(jì)算機(jī)方便地調(diào)用。運(yùn)動(dòng)控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 同時(shí)接受伺服電機(jī)編碼器反饋的脈沖數(shù)， 還接受光柵尺反饋信號(hào)， 進(jìn)而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)

16、速。 伺服驅(qū)動(dòng)器既要與運(yùn)動(dòng)控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。如果你的運(yùn)動(dòng)控制卡時(shí)比較好的卡， 伺服刷新率可以達(dá)到要求， 可以把編碼器反饋直接接到運(yùn)動(dòng)控制卡， 形成一個(gè)整體的閉環(huán)。 若對(duì)對(duì)精度有很高的要求可以用雙閉環(huán)， 運(yùn)動(dòng)控制卡就是根據(jù)要求x-y 平臺(tái)運(yùn)行的位置， 控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到準(zhǔn)確的位置。2.1.3 PC 總線現(xiàn)有的放開(kāi)式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案主要采用PC機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方法，PC機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信， 人機(jī)交互等功能， 數(shù)控系統(tǒng)作為下位機(jī)將上位機(jī)輸入的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)過(guò)處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行， 同時(shí)將檢測(cè)系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控， 各個(gè)模塊之間協(xié)調(diào)工作互不干擾，

17、給系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)了方便。放開(kāi)式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制器的核心是 DSP它具有運(yùn)算速度快，支持復(fù)雜運(yùn)動(dòng)算法的特點(diǎn)，可以滿足高精度運(yùn)動(dòng)控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動(dòng)態(tài)控制卡越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，將多軸動(dòng)態(tài)控制卡插在PC機(jī)擴(kuò)展槽上， 就可以組成高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)， 位置反饋信號(hào)的采集、 閉環(huán)控制計(jì)算及控制量的輸出均由動(dòng)態(tài)控制卡完成，極大的提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機(jī)的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算中解決出來(lái)， 從而可以更好的實(shí)施整個(gè)控制系統(tǒng)的管理。2.1.4 驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器， 其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)。 目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處

18、理器（ DSP） 作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路 , 同時(shí)具有過(guò)電壓、 過(guò)電流、 過(guò)熱、 欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路, 在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路, 以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。 功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流， 得到相應(yīng)的直流電。 經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM!壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC勺過(guò)程。整流單元（AC-DC主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢?/p>

19、整流電路。伺服驅(qū)動(dòng)器一般可以采用位置、 速度和力矩三種控制方式， 主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端。編碼器（ encoder ）是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大元件， 只是把上位機(jī) （如運(yùn)動(dòng)控制卡） 發(fā)來(lái)的一些信號(hào)進(jìn)行放大，以致使電機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。MAC（列運(yùn)動(dòng)控制卡是基于總線的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡。 采用專用控制芯片為核心器件， 輸入輸出信號(hào)均為光電隔離， 可與各種類型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接， 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)， 構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)?？膳cPC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面的管理和其它管理工作； 而控制卡負(fù)責(zé)

20、運(yùn)動(dòng)控制方面的所有細(xì)節(jié)。 用戶通過(guò)我們提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可方便快速的開(kāi)發(fā)出自己需要的運(yùn)動(dòng)控制功能。2.1.5 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖4.2驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)2.2 編碼器編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 前者成為碼盤(pán)，后者稱碼尺。按 照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“ 1”還是“0”；非接觸式的接受敏 感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼 的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過(guò)“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來(lái)將采集來(lái)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式

21、兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn) 換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移 的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼， 因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。2.2.2 編碼器優(yōu)點(diǎn)工業(yè)控制中的定位，接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了， 而且很好用?？墒牵S著工控的不斷發(fā)展，又有了新的要求，這樣，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)就突出了：1 .信息化除了定位，控制室還可知道其具體位置。2 .柔性化 定位可以在控制室柔性調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的方便和安全，拳頭大小的一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測(cè)量從幾個(gè)N到 幾十幾百米的距離，n 個(gè)工位，只要解決一個(gè)旋

22、轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問(wèn)題，可以避免諸多接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝麻煩，容易被撞壞和遭高溫、 水氣困擾等問(wèn)題。由于是光電碼盤(pán)，無(wú)機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長(zhǎng)。3. 多功能化 除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于變頻器，步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。4. 經(jīng)濟(jì)化 對(duì)于多個(gè)控制工位，只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，以及更主要的安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來(lái)。如上所述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于各種工控場(chǎng)合。2.2.2 編碼器工作原理由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)， 其上有環(huán)形通、 暗的刻線， 有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號(hào)組合

23、成 A、B、C、D,每個(gè)正弓g波相差90度相位 差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在 A B兩相上，可增 強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z 相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼 器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、 金屬、 塑料， 玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度， 精度就有限制， 其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)， 塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率編碼器以每

24、旋轉(zhuǎn)360 度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率， 也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5-10000 線。信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓） ，方波（TTL、 HTL） ，集電極開(kāi)路（PNP、NPN,推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱A, A-; B, B-; Z, Z-）, HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。信號(hào)連接一編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器PLC計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分， 開(kāi)關(guān)頻率有低有高。 如單相聯(lián)接， 用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。A、B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。A 、 B、 Z 三

25、相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。A、 A- ， B、 B- ， Z、 Z-連接， 由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接， 電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為 0， 衰減最小，抗干擾最佳， 可傳輸較遠(yuǎn)的距離。 對(duì)于 TTL 的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器， 信號(hào)傳輸距離可達(dá)150 米。 對(duì)于HTL 的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 300 米。第三章交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)如圖所示，通常由交流伺服電機(jī)，功率變換器，速度、位置傳 感器及位置、速度電流控制器構(gòu)成。交流伺服系統(tǒng)具有電流反饋、速度反饋和位置反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，其中 電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán)（局部環(huán)），位置環(huán)為外環(huán)（主環(huán)）。電流環(huán)的作用是使電

26、機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的跟蹤電流指令信號(hào)，限制電樞電流在動(dòng)態(tài)工程中不超過(guò) 最大值，使系統(tǒng)具有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩， 提高系統(tǒng)的快速性。速度環(huán)的作用是增 強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。位置環(huán)的作用是保 證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的性能，這直接關(guān)系到交流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能否 高性能運(yùn)行，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。當(dāng)傳感器檢測(cè)的是輸出軸的速度、 位置時(shí)，系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)檢測(cè)的 是負(fù)載的速度、位置時(shí)，稱為閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)同時(shí)檢測(cè)輸出軸和負(fù)載的速度、位置時(shí)，稱為多重反饋閉環(huán)系統(tǒng)。3.1 交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)的電機(jī)本體為三相永磁同步電機(jī)或三相籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其功率變換器采用三相電壓型PW陋

27、變器。在數(shù)十瓦的小容量交流伺服系統(tǒng)中，也有采用電壓控制兩相高阻值籠型感應(yīng)電機(jī)作為執(zhí)行元件的， 這種系統(tǒng)稱為兩相交流伺服系統(tǒng)。采用三相永磁同步電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)， 相當(dāng)于把直流電機(jī)的電刷和換向器置換成由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)，因此很多時(shí)候稱之為無(wú)刷直流伺服電機(jī)；有時(shí)交流伺服電機(jī)單指采用了三相籠型感應(yīng)電機(jī)的伺服電機(jī)， 當(dāng)把兩者一同叫做交流伺服電機(jī)時(shí)， 通常前者為同步型交流伺服電機(jī)， 稱后者為感應(yīng)性交流伺服電機(jī)。3.1.1 同步型交流伺服電機(jī)（無(wú)刷直流伺服電機(jī)）交流伺服電機(jī)中最為普及的是同步型交流伺服電機(jī)， 其勵(lì)磁磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生， 通過(guò)控制三相電樞電流， 使其合成電流矢量與勵(lì)磁磁場(chǎng)正交而

28、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 由于只需控制電樞電流就可以控制轉(zhuǎn)矩， 因此比感應(yīng)型交流伺服電機(jī)控制簡(jiǎn)單。 而且利用永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)， 特別是數(shù)千瓦的小容量同步型交流伺服電機(jī)比感應(yīng)型效率更高。為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、 提高電機(jī)的效率和功率因數(shù)， 同步型交流伺服電機(jī)的勵(lì)磁一般采用磁性能好的稀土永磁體。 由于永磁體存在去磁問(wèn)題， 如果電樞電流過(guò)大， 就可能產(chǎn)生不可逆去磁， 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就不可能正常輸出， 因此必須限制最大電樞電流。在伺服系統(tǒng)中， 有時(shí)要求在出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行制動(dòng)， 由于同步型交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有永磁體，故用接觸器和電阻把電樞繞組短路，就可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。3.1.2 感應(yīng)型交流伺服電機(jī)近年來(lái)， 隨著電力電子技術(shù)

29、、 微處理器技術(shù)與磁場(chǎng)定向控制技術(shù)的快速發(fā)展，使感應(yīng)電機(jī)可以達(dá)到與他勵(lì)式直流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩控制特性， 再加上感應(yīng)電機(jī)本身價(jià)格低廉、 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固及維護(hù)簡(jiǎn)單， 因此感應(yīng)電機(jī)逐漸在高精密速度及位置控制系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)電機(jī)的定子電流包含相當(dāng)于直流電機(jī)勵(lì)磁電流與電樞電流兩個(gè)成分， 把這兩個(gè)成分分解成正交矢量進(jìn)行控制的新型控制理論矢量控制理論出現(xiàn)以后，感應(yīng)電機(jī)作為伺服電機(jī)才開(kāi)始實(shí)用化。感應(yīng)型交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制比同步型復(fù)雜， 但是電機(jī)本身具有很多優(yōu)點(diǎn)，作為伺服電機(jī)主要應(yīng)用于較大容量的伺服系統(tǒng)中。感應(yīng)型交流伺服電機(jī)在空載狀態(tài)也需要?jiǎng)?lì)磁電流， 這點(diǎn)與同步型不同。 異常 時(shí)的制動(dòng)需要通過(guò)機(jī)械式制

30、動(dòng)或由預(yù)先準(zhǔn)備好的直流電源進(jìn)行直流制動(dòng)。3.1.3 兩種交流伺服電機(jī)的比較（ 1）同步型交流伺服電機(jī)1）正弦波電流控制稍復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。2）方波電流控制較為簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。3）采用稀土永磁體勵(lì)磁，功率密度高。4）電子換向，不需維護(hù)，散熱好，慣量小，峰值轉(zhuǎn)矩大。5）弱磁控制難，不適合恒功率運(yùn)行。6）要注意高溫及大電流可能引起的永磁體去磁。（ 2）感應(yīng)型交流伺服電機(jī)1）采用磁場(chǎng)定向控制，轉(zhuǎn)矩控制原理類似直流伺服。2）需要無(wú)功的勵(lì)磁電流，損耗稍大。3）設(shè)計(jì)上減小漏感及磁路飽和的影響。4）利用弱磁控制，適用高速及恒功率運(yùn)行。5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，適合大功率應(yīng)用。6）控制復(fù)雜，參數(shù)易受轉(zhuǎn)子升溫影響。

31、3.1.4 交流伺服電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似， 如下圖 3-2 所示。圖3-2交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖其定子上裝有兩個(gè)位置互差90。的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf,它始終接在 交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L,聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uco所以交流伺服電 動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺 服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的 性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻 率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小

32、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)；另一種是采用鋁 合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅 0.2-0.3mm,為了減小磁路的磁阻，要 在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子，如圖3-3所示?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。圖3-3空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)， 轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化， 當(dāng) 控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。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

33、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)。3.1.5 交流伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)3.1.6 矩大由于轉(zhuǎn)子電阻大，具轉(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3-4伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性3.1.7 圍較寬如圖3-4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)。3.1.8 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)

34、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3-4所示，與普通的單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 矩特性（圖中7 -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3-5伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性下圖3-6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3-6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、110M 22

35、0、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)。3.1.9 結(jié)構(gòu)和原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子繞組和單相異步電動(dòng)機(jī)相似，它的定子上裝有兩個(gè)在空間相差900電角度的繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組。運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁繞組始終加 上一定的交流勵(lì)磁電壓，控制繞組上則加大小或相位隨信號(hào)變化的控制電壓。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子兩種。 籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相同，但轉(zhuǎn)子做的細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體用高電阻率的材料作成。 其目的是 為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)輸入信號(hào)的快速反應(yīng)和克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子分為外定子和內(nèi)定子兩部分。外定子的結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子相同，鐵心槽內(nèi)放有兩相繞組?？招谋无D(zhuǎn)子由導(dǎo) 電的非磁性材料（如鋁）做成薄壁筒形，放在內(nèi)、外定子之間。杯子底部固定于 轉(zhuǎn)軸上，杯臂薄而輕，厚度一般在0.2-0.8mm,因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)作快且靈敏。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和單相異步電動(dòng)機(jī)相似，LL是有固定電