运动控制系统-第七讲-伺服电机课件

本讲主要内容第七章伺服控制技术技术7.1伺服控制系统概述7.2伺服控制系统的数学模型7.3永磁同步电机交流伺服控制7.4伺服控制系统的设计7.5标准商用伺服驱动器应用简介7.1伺服控制系统概述伺服意味着“伺候”和“服从”。广义的伺服控制系统指的是精确地跟踪或复现某个过程的反馈控制系统，也可称为随动系统。而狭义的伺服控制系统指的是，被控制量（输出量）是负载的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）任意变化时，系统使输出量快速而准确地复现输入量的变化，又称为位置随动系统。伺服控制系统和调速控制系统一样，都属于反馈控制系统，即通过对给定量和反馈量的比较，按照某种控制运算规律对执行机构进行调节控制。当给定量增大、反馈量不变时，差值增大，输出量增大；当给定量不变、输出量增大时，差值就会减小，随之输出量也就会减小，形成闭环控制系统。就控制原理而言，速度调节控制系统与伺服控制系统的原理是完全相同的。伺服控制系统与调速控制系统的主要区别在于，调速控制系统的主要作用是保证稳定和抵抗扰动，而伺服控制系统要求输出量准确跟随给定量的变化，更突出快速响应能力。总体而言，稳态精度和动态稳定性是两种控制系统都必须具备的，但在动态性能中，调速控制系统多强调抗扰性，而伺服控制系统则更强调快速跟随性。1．伺服控制系统的基本要求伺服控制系统的基本要求是：①稳定性好；②精度高；③动态响应快；④抗扰动能力强。2．伺服控制系统的基本特征伺服控制系统的基本特征是：①必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号；②功率放大器及控制系统都必须是可逆的；③足够大的调速范围及足够强的低速带载能力；④快速的响应能力和较强的抗干扰能力。3．伺服控制系统的组成图7-1所示的是伺服控制系统的框图。由图可见，系统由五大部件组成，控制器、驱动装置、伺服电机、机械传动机构和传感器。图7-11)控制器控制器是伺服控制系统的关键所在，伺服控制系统的控制规律体现在控制器上。控制器依据任务需求，结合传感器的反馈情况，得出偏差信号，经过必要的控制算法，产生驱动装置的控制信号。2)驱动装置与伺服电机驱动装置主要起功率放大作用。根据不同的伺服电机，驱动装置控制伺服电机的转矩和转速，以满足伺服控制系统实际的需求。伺服电机是伺服系统的执行元件，通常用于精密机械的传动控制。3)传感器传感器的检测精度和准确度对于伺服控制系统的性能至关重要。通常，把控制器、驱动装置与传感器预处理电路整合在一起，制成一个标准产品，即伺服驱动器。4)机械传动机构机械传动机构是实现控制的直接物理形式。为了满足各种功能需求，离不开机械机构的保证。高精度的机械传动是实现精密控制的坚实基础。7.2伺服控制系统的数学模型按照伺服电机的属性，伺服控制系统可以分成：直流伺服控制系统和交流伺服控制系统。下面，从系统的数学模型入手进行研究。7.2.1直流伺服控制系统的数学模型1．直流伺服控制系统的静态结构框图图7-2图7-22．直流伺服控制系统的数学模型直流伺服控制系统的执行元件为直流伺服电机，中、小功率的伺服控制系统采用直流永磁伺服电机，当功率较大时，也可采用电源励磁的直流伺服电机，直流无刷电机与直流电机有相同的控制特性，也可归入直流伺服控制系统。由于在小功率位置伺服控制系统中，直流电机的电枢回路是不串联平波电抗器的，所使用的电机的电枢电阻又较大，因此电枢回路的电磁时间常数TL一般很小，甚至可以认为TL0；相应地，拖动系统的机电时间常数Tm则较大。下面根据图7-2所示的直流伺服控制系统框图，推出相应数学关系式。数学关系式(1)直流伺服电机的数学模型与直流电机的数学模型无本质上的区别。假定气隙磁通恒定，则直流伺服电机的状态方程为(7-1)(7-2)(7-3)(7-4)(7-5)(7-6)(7-7)(7-8)(7-1)(7-7)(7-8)3．带电流环控制的直流伺服控制系统(7-9)图7-3图7-2图7-3图7-2图7-32)电流环控制(7-10)(7-10)7.2.2交流伺服控制系统的数学模型(7-11)(6-36)(6-39)66.1(7-11)(7-12)(7-13)2．交流伺服控制系统控制对象的统一模型以上分析表明，采用电流闭环控制后，交流伺服控制系统与直流伺服控制系统具有相同的控制对象，式(7-11)或式(7-12)可以称为在电流闭环控制下，交、直流伺服控制系统控制对象的统一模型。因此，可用相同的方法设计交流或直流伺服控制系统。7.3永磁同步电机交流伺服控制1)永磁同步电机基本结构和分类图7-4所示的是一台永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）的剖面实物图。从图中可以看出PMSM主要组成部分有电机机座、定子绕组、转子（永磁体）、轴承、温度传感器、编码器和接线插座等。PMSM主要有三种类型：凸极式、嵌入式和内埋式。这是按照磁极的构成形态进行分类的，如图7-5所示。图7-4图7-52)永磁同步电机交流伺服控制系统的组成7-6图7-6(1)控制器在一个运动控制系统中控制器主要有四种：单片机系统、运动控制专用PLC系统、PC+运动控制卡和专用数控系统。(2)伺服电机及驱动器由伺服电机及驱动器组成的伺服控制单元是整个交流伺服系统的核心，如图7-4虚线框内所示部件，用于实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制。(3)检测元件交流伺服控制系统的检测元件最常用的是旋转式光电编码器和光栅。旋转式光电编码器一般安装在电机轴的后端部，用于通过检测脉冲来计算电机的转速和位置；光栅通常安装在机械平台上，用于检测机械平台的位移，以构成一个大的随动闭环结构。2．PMSM伺服控制系统的数学模型7-7PMSM的物理方程如下(7-14)(7-15)图7-8图7-7图7-8(7-16)(7-17)(7-16)(7-17)(7-18)(7-16)(7-19)(7-20)(7-21)(7-22)(7-23)(7-24)3．PMSM的等效电路(7-25)(7-26)(7-27)(7-28)(7-29)图7-9图7-97-9(a)7-9(b)4．PMSM的矢量控制7-107-10图7-105．PMSM解耦状态方程以凸极式转子结构的PMSM为对象，在假设磁路不饱和，不计磁滞和涡流损耗的影响，空间磁场呈正弦分布的条件下，永磁同步电机转子为圆筒形（Ld=Lq=L），黏滞摩擦系数B=0，得(d、q)旋转轴系永磁同步电机的状态方程为(7-30)(7-31)(7-31)7.4伺服控制系统的设计伺服控制系统的结构因系统的具体要求而异，现介绍几种常用的伺服控制系统的设计7.4.1单环位置伺服控制系统设计对于直流伺服电机可以采用单环位置伺服控制方式——直接设计位置调节器APR，如图7-11所示。为了避免在过渡过程中电流冲击过大，应采用电流截止反馈保护，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电机。由于交流伺服电机具有非线性、强耦合的性质，因此单环位置伺服控制方式难以达到伺服控制系统的动态要求，故一般不采用单环位置伺服控制。图7-111．设计原则1)着眼点——快速性作为动态校正和加快跟随作用的位置调节器，常选用PD或PID调节器，或者在位置反馈的基础上附加位置微分反馈（即转速反馈）。采用微分控制是为了提高响应跟随的快速性。若要求系统对负载扰动无静差，应选用PID调节器。2)简化结构图(7-32)图7-127-27-12(7-33)(7-34)(7-35)2．单环位置伺服控制系统的传递函数图7-137-13(7-36)(7-37)(7-38)(7-39)图7-142)时的闭环传递函数(1)开环传递函数若，可用系统的开环零点消去驱动装置的滞后时间，则系统开环传递函数变为(7-40)(7-41)(7-42)(7-43)(7-43)7.4.2双环伺服控制系统设计如前所述，电流环控制可以抑制启、制动电流，加快电流的响应。对于交流伺服电机，电流环还可以改造受控对象，实现励磁分量和转矩分量的解耦，得到等效的直流电机模型。因此，可以在电流环作为内环的基础上，直接设计位置调节器，构成外环，从而形成位置、电流双环伺服控制系统。其结构如图7-15所示。图7-15(7-44)2．双环伺服控制系统的传递函数1)APR是PD调节器时(1)开环传递函数图7-16所示系统的开环传递函数为(7-45)图7-16(7-46)(7-47)(7-47)图7-16(7-48)(7-49)(7-50)(7-51)(7-52)(7-53)(7-51)图7-177-167.4.3三环伺服控制系统设计图7-187-18(7-54)图7-167(7-55)(7-56)图7-207-20(7-57)(7-58)(7-59)(7-59)(7-58)(7-60)(7-61)(7-62)(7-59)7.4.4PMSM伺服控制系统设计(7-63)(7-63)(7-64)(7-65)由图7-10可知，电流环的控制对象为PWM逆变器和PMSM的电枢回路。PWM逆变器一般可以看成具有时间常数Tv和控制增益Kv的一阶惯性环节。另外，可将由霍尔电流传感器构成的电流检测环节作为比例环节处理，其传递系数用Kcf表示。电流反滤波环节看成时间常数为Tcf和控制增益为Kcf的一阶惯性环节，即7-21图7-21(7-66)(7-67)7-21(7-68)(7-69)(7-70)(7-71)(7-72)(7-73)2．PMSM伺服控制系统速度环设计图7-227-107-217-22(7-74)(7-75)(7-69)图7-23图7-23(7-76)(7-75)(7-77)7.5标准商用伺服驱动器应用简介7-247-257-26图7-24图7-25图7-26由图7-25可知，伺服控制器的操作面板共有5个按钮：M（MODE）为状态选择按钮，S（SET）为参数设置按钮，↑↓←分别为三个方向上的选择按钮。图7-26所示的是外部接线端子布局图。1．标准商用伺服驱动器的选型要点1)与伺服电机配套由于伺服驱动器是与伺服电机配套使用的，因此第一个选型要点就是要关注适配的电机型号、工作电压、额定功率、额定转速和编码器规格，以及驱动器自身的规格、型号与工作电压是否与所选的伺服电机相匹配。表7-1就是一个选配表，说明如何选择伺服电机与相匹配的驱动器。表7-1伺服驱动器与伺服电机选配表2)伺服驱动器的安装表7-2表7-2表7-32．标准商用伺服驱动器的使用方式伺服驱动器的使用可参阅具体所选产品的使用手册。通常需要关注两点：外部接线和内部寄存器设置。伺服驱动一般有四种工作模式：位置、速度、转矩和全闭环。模式确定后，相对应的外部接线就确定了，内部寄存器也可按照相应的设置。对于主回路、输出控制电机回路和编码器的接线都是相同的，区别在于控制回路。1)伺服驱动器外部接线(1)主回路接线在图(表）7-4中，X1为电源输入接口；X2为电机接口；X6为旋转编码器接口。(2)控制回路接线控制回路接线要与寄存器的设置结合起来。控制模式的确定意味着参数设定要与外部控制回路接线一致，否则就无法正常工作。具体控制回路接线指令可参考表7-5。2)伺服驱动器内部寄存器设置伺服驱动器内部寄存器参数的设置不仅与驱动器的控制模式有关，还与信号输入方式有关。(1)信号输入方式与寄存器设置的关系控制回路14号输入端子的接线与信号输入方式可参阅表7-5控制回路接线指令与内部寄存器的设置关系表。表7-4表7-5(2)伺服驱动器内部寄存器参数设置完成伺服驱动控制器的使用，要学会正确选择与设置内部寄存器的参数。表7-6就是松下电工A4系列伺服驱动器内部寄存器汇总表。表7-63)标准商用伺服驱动器的四种工作模式对于标准商用驱动器的应用，最重要的是学习与掌握四种工作模式。下面介绍如何选择设置伺服驱动器的工作模式。每种控制方式都有两个使用要点。(1)位置控制方式要点1：按照图7-27接线。要点2：按照流程图7-28设置寄存器参数值。图7-27(2)速度控制方式要点1：按照图7-29接线。要点2：按照流程图7-30设置寄存器参数值。图7-28图7-29图7-30(3)转矩控制方式