机器人伺服控制系统及应用技术第6章 伺服驱动器

机器人伺服控制第六章伺服驱动器伺服系统作用就是经过闭环控制方式使系统的位置、速度或加速度输出快速准确的跟随系统输入的变化伺服系统通常包含伺服驱动器、伺服电机、运动控制器三部分伺服驱动器通过从运动控制器接收信号转化为驱动电流从而达到对电机的控制，本质相当于一个功率放大器，是伺服系统最核心的组成部分之一根据相关资料显示，伺服系统中绝大部分的故障是由伺服驱动器引起的伺服驱动器随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、调试、及维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心、自动化设备中注塑机领域、纺织机械、包装机械、数控机床领域等当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置三闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用伺服驱动器伺服驱动器

伺服系统的基本控制流程定位单元伺服驱动器(包括位置环)

脉冲串控制部分：可以是数控系统，PLC，运控卡等其它控制器编码器反馈模拟量光纤通讯量主要内容contents6.1伺服驱动器伺服驱动器6.2伺服驱动器的使用6.1伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”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，属于伺服系统的一部分主要应用于高精度的定位系统6.1伺服驱动器根据不同的控制方式和要求，伺服电机的驱动器可分为直流伺服电机驱动器：使用直流电源将电机的电流进行控制，具有速度控制精确、控制原理简单、价格便宜等优点。直流伺服电机驱动器适用于一些小型的、功率较小的电机，如自动售货机、自动贩卖机等交流伺服电机驱动器：使用交流电源将电机的电流进行控制，具有良好的速度控制特性，在整个速度区间内可实现精准控制，高效率、高精确位置控制等优点步进伺服驱动器：是一种使用数字信号来控制电机的常用的驱动器（严格来说并不是完整的闭环），通过改变电机的相位和电流来实现电机的控制6.1伺服驱动器6.1伺服驱动器通用伺服驱动器通用伺服驱动器对上级控制装置无要求。驱动器用于位置控制时，可直接通过位置指令脉冲信号来控制伺服电机的位置与速度，只要改变指令脉冲的频率与数量，即可改变电机的速度与位置6.1伺服驱动器通用伺服驱动器6.1伺服驱动器专用伺服驱动器专用伺服驱动器的位置控制只能通过上级控制器实现，它必须与特定位置控制器(一般为CNC)配套使用，不能独立用于闭环位置控制或速度、转矩控制6.1伺服驱动器作用按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制伺服电机锁定功能：当偏差计数器的输出为零时，如有外力使伺服电机转动，由编码器将反馈脉冲输入偏差计数器，偏差计数器发出速度指令，旋转修正电机使之停止在滞留脉冲为零的位置上进行适合机械负荷的位置环路增益和速度环路增益调整6.1伺服驱动器伺服系统的基本要求调速范围宽定位精度高有足够的传动刚性和高的速度稳定性快速响应，无超调为保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，伺服驱动器还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号响应要快6.1伺服驱动器伺服系统的基本要求低速大转矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高，工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力6.1伺服驱动器对电机的基本要求从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压电机应能承受频繁启、制动和反转6.1.1伺服驱动器控制方式主流伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、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，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击伺服驱动器工作原理图6.1.1伺服驱动器控制方式首先功率驱动单元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工作原理图三环控制理论伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统最内的PID环就是电流环此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快6.1.1伺服驱动器控制方式三环控制理论伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统第2环是速度环通过检测的电机编码器信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制6.1.1伺服驱动器控制方式三环控制理论伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统第3环是位置环最外环，可在驱动器和电机编码器间构建，也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢6.1.1伺服驱动器控制方式伺服系统的PIDPID，Proportion（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制算法当中，PID控制算法是最简单最能体现反馈思想的控制算法，也是最经典的6.1.1伺服驱动器控制方式伺服系统的PIDP-Proportion（比例）比例环节是对偏差瞬间作出反应，偏差只要产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化6.1.1伺服驱动器控制方式比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小Kp越大，越容易产生振荡，就会破坏系统的稳定性比例系数Kp选择须恰当，达到过渡时间少、静态偏差小而又稳定的效果伺服系统的PIDI-Integral（积分）只要存在偏差，其控制作用就不断的增加。只有在偏差e(t)＝0时，它的积分才是一个常数。积分部分可以消除系统的偏差6.1.1伺服驱动器控制方式积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量当Ti较小时，积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短伺服系统的PIDI-Integral（积分）只要存在偏差，其控制作用就不断的增加。只有在偏差e(t)＝0时，它的积分才是一个常数。积分部分可以消除系统的偏差6.1.1伺服驱动器控制方式积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡但是增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性伺服系统的PIDD-Derivative（微分）实际的控制系统中除了消除静态误差外，还要求加快调节过程在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先适当的纠正为了实现这一功能作用，须在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器6.1.1伺服驱动器控制方式伺服系统的PIDD-Derivative（微分）微分环节的作用是阻止偏差的变化根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制6.1.1伺服驱动器控制方式偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正微分作用的引入，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快了系统的跟踪速度伺服系统的PID参数调试稳定性（不会有发散性的震荡）是首要条件6.1.1伺服驱动器控制方式伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、速度控制方式、转矩控制方式位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，位置模式对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置，应用领域如直线模组、数控机床、印刷机械等6.1.1伺服驱动器控制方式伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、速度控制方式、转矩控制方式速度控制方式6.1.1伺服驱动器控制方式伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、速度控制方式、转矩控制方式速度控制方式该模式下，控制伺服电机的转动速度有两种方式外部对驱动器发送脉冲的频率：通过上位机（如PLC），对伺服驱动器发送的脉冲频率，来控制伺服电机的旋转速度，这种方式和位置模式是一样的通过模拟量的输入：这个方式和转矩模式差不多，0-10V分别对应的不同速度，外部输入模拟量设定为不同的电压时，伺服电机就会输出相应的转速6.1.1伺服驱动器控制方式伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、速度控制方式、转矩控制方式速度控制方式速度模式下，伺服系统本身没办法做定位，如果想要实现定位功能，需要将电机的位置信号或者是负载的位置信号反馈给上位机，然后再由上位机进行运算，即需要另外检测电机或者负载的位置位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度6.1.1伺服驱动器控制方式伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、速度控制方式、转矩控制方式转矩控制方式通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现比如：伺服系统中，如果10V对应的转矩是5N·m，那么外部输入模拟量设置为5V时，电机输出转矩就是2.5N·m若电机轴负载小于2.5N·m时，电机就会正转；负载大于2.5N·m时，电机会跟着负载方向转动；当然负载等于2.5N·m时，电机就不转6.1.1伺服驱动器控制方式伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、速度控制方式、转矩控制方式转矩控制方式应用不多，主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变6.1.1伺服驱动器控制方式伺服驱动器工作在任意模式下，其对应模式可由三种方式给定使用模拟量给定优点是响应快，应用于许多高精度高响应的场合缺点是存在零漂，给调试带来困难，欧美系伺服多采用这种方式参数设置的内部给定应用比较少，为有限的有级调节通讯给定优点是给定迅速，响应快，能合理进行运动规划，特别适合凸轮控制和flying定位方式常为总线通讯方式，也有点对点通讯方式和网络通讯方式6.1.1伺服驱动器控制方式6.1.1伺服驱动器控制方式全闭环控制相对于半闭环控制而言半闭环是指数控系统或PLC发出速脉冲指令。伺服接受指令，然后执行，在执行的过程中，伺服本身的编码器进行位置反馈给伺服，伺服自己进行偏差修正，伺服本身误差可避免，但是机械误差无法避免，因为控制系统不知道实际的位置6.1.1伺服驱动器控制方式全闭环控制相对于半闭环控制而言伺服电机、运动控制器、位置传感器三者有机的结合在一起的控制模式称之为全闭环控制伺服接受上位控制器发出速度可控的脉冲指令，伺服接收信号执行，执行的过程中，机械装置上有位置反馈装置，直接反馈给控制系统，控制系统通过比较，判断出与实际偏差，给伺服指令，进行偏差修正控制系统通过频率可控的脉冲信号完成伺服的速度环控制，然后又通过位置传感器（光栅尺、编码器）完成伺服的位置环控制6.1.1伺服驱动器控制方式6.1.2伺服驱动器与变频器伺服驱动器特点响应性（响应频率）当速度为10r/min的微小速度指令呈正弦波变化时，马达能跟上的变化频率国内产品系列的响应一般为200Hz~500Hz进口产品的响应为900Hz～1.20KHz宽调速比特性精度特性转矩过载特性高频度启停特性伺服驱动与变频驱动速度控制范围广，响应时间迅速转矩特性在高速运转和低速运转时恒定最大转矩大，具有过载能力6.1.2伺服驱动器与变频器6.1.2伺服驱动器与变频器伺服驱动器是用来驱动伺服电机的，伺服电机可是步进电机，也可是交流异步电机，主要为了实现快速、精确定位，在走走停停、精度要求很高的场合用的很多。变频器就是为了将工频交流电变频成适合调节电机速度的电流，用以驱动电机，现在部分变频器也可以实现伺服控制，即可以驱动伺服电机变频是伺服控制的一个必须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。但伺服将电流环速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。伺服与变频的重要区别是变频可以无编码器，伺服则必须有编码器，作电子换向用工作原理变频器的调速原理主要受制于异步电动机的转速n、频率f、转差率s、极对数p这四个因素转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机6.1.2伺服驱动器与变频器工作原理伺服系统的工作原理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。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6.1.2伺服驱动器与变频器工作原理变频器与伺服放大器在主回路与控制回路上的区别主回路：变频器与伺服的构成基本相同。两者的区别在于伺服中增加了动态制动器的部件，停止时该部件能吸收伺服电机积累的惯性能量，对伺服电机进行制动控制回路：与变频器相比，伺服的构成相对复杂。为了实现伺服机构，需要复杂的反馈、控制模式切换、限制（电流/速度/转矩）等功能6.1.2伺服驱动器与变频器共同点交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，即交流伺服电机必然有变频的这一环节变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管（IGBT，IGCT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了（n=60f/p，n转速，f频率，p极对数）6.1.2伺服驱动器与变频器区别过载能力不同伺服驱动器一般具有3倍过载能力，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，而变频器一般允许1.5倍过载控制精度不同伺服系统的控制精度远远高于变频，通常伺服电机的控制精度是由电机轴后端的旋转编码器保证矩频特性不同交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象.在0.2r/MIN转速下仍可拖动额定负载平稳运转，调速比可达到1:10000，这是变频器远远达不到的6.1.2伺服驱动器与变频器区别加减速性能不同空载情况下伺服电机从静止状态加工到2000r/min，用时不会超20ms。电机的加速时间跟电机轴的惯量以及负载有关系驱动对象不同变频器是用来控制交流异步电机，伺服驱动器用来控制交流永磁同步电机应用场合不同变频控制与伺服控制是两个范畴的控制。变频控制属于传动控制领域，伺服控制属于运动控制领域6.1.2伺服驱动器与变频器应用区别简单的变频器只能调节交流电机的速度，可以开环也可以闭环，要视控制方式和变频器而定伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的变频强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制6.1.2伺服驱动器与变频器应用区别伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），即当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本不是变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。仅有些部分性能优良的变频器可以直接驱动伺服电机6.1.2伺服驱动器与变频器应用区别在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也有在上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不高。现有些变频也接受脉冲序列信号控制速度的，但不能直接控制位置在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响应速度远远大于变频，有些对速度的精度和响应要求高的场合也用伺服控制，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代6.1.2伺服驱动器与变频器应用区别伺服是一个闭环控制系统，而变频器通常工作于开环控制，所以无论从速度还是精度上，变频器都无法和伺服相比高端闭环矢量变频器精度也能满足很多应用场合大功率情况，例如100KW的电机，伺服较贵。用变频器上的编码器信号反馈到上端的运动控制器，也可实现(位置)闭环控制。尽管动态性能变频器比不上伺服，但稳态精度也不差。和伺服一样，取决于连接系统的机械特性和编码器分辨率6.1.2伺服驱动器与变频器6.1.3伺服驱动器组成伺服系统器件伺服驱动器铭牌6.1.3伺服驱动器组成伺服驱动器型号产品系列：EPS系列产品代号：T表示通用型、H表示横机专用型、W表示袜机专用型、K表示数控专用型、E表示经济型、G表示高性能型硬件版本：版本A、版本B额定功率：1.功率的位数增加到４位，单位为KW。2.“Ｄ”表示小数点（只适用于100KW以下，100KW以上伺服功率都为整数）。若驱动器的功率为整数，则４位数字中不出现“Ｄ”符号。示例：0011表示11KW，0001表示1KW。若驱动器的功率不为整数，则４位数字中才出现“Ｄ”符号，命名规定按以下标准：0＜功率＜1KW规定D在百位，例：0D05为0.05KW0D75为0.75KW1KW﹤功率﹤100KW规定D在十位，例：01D5为1.5KW18D5为18.5KW编码器类别：1：增量式、2：绝对式、3：省线式、4：旋转变压器…额定电压：2代表220伏级、4代表380伏级…输入相数：1代表单相、3代表三相…工厂代码：四位阿拉伯数字6.1.3伺服驱动器组成伺服驱动器6.1.3伺服驱动器组成伺服电机编码器6.1.3伺服驱动器组成5V5V0V0V伺服电机控制精度取决于编码器精度电机编码器一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移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”根据其刻度方法及信号输出形式，一般分为增量型、绝对型、旋转变压器6.1.3伺服驱动器组成增量型编码器一种线性或旋转机电设备，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正交输出信号：A、B、Z(A)；A和B输出发出的脉冲为正交编码，A和B波形为方波，A和B之间有90度相位差，A和B之间的相位差(正或负)可以表示运动方向。Z信号表示编码器位于其参考位置。6.1.3伺服驱动器组成增量型编码器增量式编码器不表示绝对位置，只记录位置的改变量，或移动的方向增量编码器几乎可以实时报告位置变化，这使它们能够近乎实时地监控高速机构的运动。因此，增量编码器通常用于需要精确测量和控制位置和速度的应用中机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输6.1.3伺服驱动器组成绝对型编码器断电后数据可保存由机械位置决定的每个位置的唯一性，无需记忆，无需找参考点编码器的抗干扰特性好、数据的可靠性强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6.1.3伺服驱动器组成6.1.3伺服驱动器组成旋转变压器一种输出电压随转子转角变化的信号元件当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度--数字转换装置中6.1.3伺服驱动器组成又称“可编程伺服驱动器”集伺服驱动技术、PLC技术、运动控制技术于一体的全数字化驱动器内部可进行梯形图编程，完成PLC的逻辑、数据运算，通过特有的运动控制指令，来实现多轴电机同步控制功能智能伺服驱动器属于伺服系统中的一部分，主要应用于高端装备、智能机器的核心控制部件采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，包含运动控制算法，PLC算法、伺服控制算法等6.1.4智能伺服驱动器6.1.4智能伺服驱动器分类无刷智能伺服驱动器DC智能伺服驱动器有刷电机智能伺服驱动器步进电机智能伺服驱动器感应电机智能伺服驱动器永磁同步电机伺服驱动器智能电机智能伺服驱动器6.1.4智能伺服驱动器特点：功能结合了PLC、运动控制器以及伺服驱动器三者的优势将传统PLC功能集成到伺服驱动器中，拥有完整的通用PLC指令，使用独立的编程软件进行编程，整个系统更加高效简洁内置运动指令，支持一轴闭环，三轴开环同步运动，开环轴滞后1ms；即“四轴同步”驱动支持瞬时最大3倍过载，速度环400HZ，刚性10倍。位置环调节周期1ms，动态跟随误差小于4个脉冲6.1.4智能伺服驱动器特点：功能结合了PLC、运动控制器以及伺服驱动器三者的优势在系统设计中，要用到三环切换时，智能伺服驱动器能做到三环无扰数字切换。在梯形图环境下重构伺服电流环、速度环、位置环结构参数，实现多模式动态切换工作在梯形图的条件下可以完成数控插补运算，自动生成曲线簇算法，集成G代码运动功能（如S曲线、多项式曲线等）。例如：在背心袋制袋机中的加减速控制采用指数函数作为加速部分曲线和采用加速度平滑、柔性较好的四次多项式位移曲线作为减速部分曲线，从而使得机器更加快速、平稳拥有完善的硬件保护和软件报警，可以方便的判断故障和避免危险6.1.4智能伺服驱动器发展趋势数字化采用新型调整微处理器和专用数字信号处理器（DSP）的伺服控制系统将全面代替模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现全数字化的伺服系统全数字化的伺服系统通过人工编程实现系统的软件化，具有很强的灵活性和开放性。只需要改变软件就可以实现不同的控制功能，也可以用不同的软件模块对相同的硬件模块进行不同功能的控制，这在很大程度上提高了开发效率，缩短了开发周期6.1.4智能伺服驱动器发展趋势智能化控制策略的不断改进是智能化的一个重要方面除了矢量控制方法之外，已经涌现出来很多新的高性能、高智能化的控制策略神经网络控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制等控制策略的发展将主要解决以下几个问题：①参数变化、系统扰动和不确定因素对系统动态性能的影响；②系统数学模型复杂，智能优化算法与经典控制算法的结合；③传感器对控制精度影响效果的矛盾6.1.4智能伺服驱动器发展趋势集成化由于高速、高性能DSP芯片的应用，伺服系统的位置伺服单元和速度伺服单元不再是独立分开的模块，而是通过软件高度集中在处理器算法中，使得两种控制方式可以灵活切换，并且通过参数的设定，可以根据不同的需要采用不同的控制系统随着大功率、高频化的电力电子元件的飞速发展，集成电路广泛被人所接受，这都提高了伺服系统开发板的集成度。可重配置、重利用、标准化、模块化的分布式系统硬件结构的发展，克服了传统电力电子系统的不足，将各个模块变得更加灵活6.1.4智能伺服驱动器发展趋势网络化将现场总线和工业以太网技术，甚至无线网络技术集成到伺服控制系统当中，已经成为工业发达国家伺服厂商的常用做法当今伺服电机控制系统都配置专用局域网接口和标准的串行通讯接口，使控制系统可以在很大的空间完成控制目的。通过电缆对数据的高速传输，使系统实现了一体化管理和分布式控制6.1.4智能伺服驱动器步进电机和伺服电机步进电机是一种离散运动的装置，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异6.2伺服驱动器的使用步进电机和伺服电机怎样选择步进和伺服电机？负载的性质（如水平还是垂直负载等）转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号6.2伺服驱动器的使用步进电机和伺服电机---控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下某全数字式交流伺服电机为例，带标准2500线编码器的电机，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89″。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/6556.2伺服驱动器的使用步进电机和伺服电机---低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。低频振动对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般采用阻尼技术来克服低频振动现象，如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整6.2伺服驱动器的使用步进电机和伺服电机---矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM交流伺服电机为恒力矩输出，即在额定转速（2000或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出6.2伺服驱动器的使用步进电机和伺服电机---过载能力不同步进电机一般不具有过载能力；交流伺服电机具有较强的过载能力以某交流伺服系统为例，具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩步进电机没有此过载能力，为克服该惯性力矩，需选取较大转矩电机，而机器正常工作期间又不需那么大转矩，便出现了力矩浪费的现象步进电机和伺服电机---运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠6.2伺服驱动器的使用步进电机和伺服电机---速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合6.2伺服驱动器的使用综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机伺服工作原理交流永磁同步电机（PMSM）作为执行元件，把收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U、V、W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）6.2伺服驱动器的使用伺服工作原理交流同步电机，就是转子是由永磁材料构成，所以转动后，随着电机的定子旋转磁场的变化，转子也做响应频率的速度变化，而且转子速度=定子速度，所以称“同步”同步转速n=60f/(2p)，其中2p为极对数额定转速以下输出恒转矩，额定转速以上输出恒功率6.2伺服驱动器的使用伺服原点信号回原点可根据所要求的精度及实际要求来选择。可通过上位机配合伺服完成，但回原点的原理基本上常见的有以下几种伺服电机寻找原点时，当碰到原点开关时，马上减速停止，以此点为原点回原点时直接寻找编码器的Z相信号，当有Z相信号时，马上减速停止6.2伺服驱动器的使用减速机的工作原理交流伺服电机有专用的减速机减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构在工业应用上，减速机具有减速及增加转矩功能，一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的大小齿轮的齿数之比，就是传动比6.2伺服驱动器的使用伺服电机的选择电机的最高转速电机选择首先考虑电机的最高转速。电机转速应严格控制在电机的额定转速之内惯量匹配问题为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求，负载惯量应限制在2.5倍电机惯量之内6.2伺服驱动器的使用伺服电机的选择空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时，一般应限定在驱动系统最大输出转矩的80%以内切削负载转矩在正常工作状态下，切削负载转矩不超过电机额定转矩的80%连续过载时间连续过载时间应限制在电机规定过载时间3s之内6.2伺服驱动器的使用6.2伺服驱动器的使用伺服增益调谐框图6.2伺服驱动器的使用伺服增益调谐框图调整伺服增益时，一般在理解伺服单元构成与特性基础上，逐一地调整各伺服增益。在大多数情况下，如果一个参数出现较大变化，则必须再次调整其他参数伺服单元由三个反馈系（位置环、速度环、电流环）构成，越是内侧的环，越需要提高其响应性。如果不遵守该原则，则会产生响应性变差或产生振动6.2伺服驱动器的使用手动增益调整调整速度比例增益KVP（千伏峰值）首先调整速度比例增益KVP值。调整之前必须把积分增益KVI及微分增益KVD调整至零，然后将KVP值渐渐加大；同时观察伺服电机停止时足否产生振荡，并且以手动方式调整KVP参数，观察旋转速度是否明显忽快忽慢KVP值加大到产生以上现象时，必须将KVP值往回调小，使振荡消除、旋转速度稳定。此时的KVP值即初步确定的参数值如有必要，经KⅥ和KVD调整后，可再作反复修正以达到理想值6.2伺服驱动器的使用手动增益调整调整积分增益KⅥ值将积分增益KVI值渐渐加大，使积分效应渐渐产生KVP值配合积分效应增加到临界值后将产生振荡而不稳定，如同KVP值一样，将KVI值往回调小，使振荡消除、旋转速度稳定。此时的KVI值即初步确定的参数值6.2伺服驱动器的使用手动增益调整调整微分增益KVD值微分增益主要目的是使速度旋转平稳，降低超调量。因此，将KVD值渐渐加大可改善速度稳定性调整位置比例增益KPP值如果KPP值调整过大，伺服电机定位时将发生电机定位超调量过大，造成不稳定现象。此时，必须调小KPP值，降低超调量及避开不稳定区；但也不能调整太小，使定位效率降低6.2伺服驱动器的使用手动增益调整伺服单元用户参数中主要包括以下伺服增益。通过设定这些增益，可以调整伺服单元的响应特性PA-11：位置环增益（Kp）PA-14：速度环增益（Kv）PA-15：速度环积分时间常数（Ti）6.2伺服驱动器的使用参数简介位置比例增益设定位置环调节器的比例增益设置值越大，增益越高，刚度越大，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调参数数值由具体的伺服系统型号和负载情况确定6.2伺服驱动器的使用参数简介位置前馈增益设定位置环的前馈增益设定值越大时，表示在任何频率的指令脉冲下，位置滞后量越小位置环的前馈增益大，控制系统的高速响应特性提高，但会使系统的位置不稳定，容易产生振荡不需要很高的响应特性时，本参数通常设为0表示范围：0~100%6.2伺服驱动器的使用参数简介速度比例增益（KVP)设定速度调节器的比例增益设置值越大，增益越高，刚度越大。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载值情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较大的值6.2伺服驱动器的使用参数简介速度积分时间常数设定速度调节器的积分时间常数设置值越小，积分速度越快。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较小的值6.2伺服驱动器的使用参数简介速度反馈滤波因子设定速度反馈低通滤波器特性数值越大，截止频率越低，电机产生的噪音越小。如果负载惯量很大，可以适当减小设定值。数值太大，造成响应变慢，可能会引起振荡数值越小，截止频率越高，速度反馈响应越快。如果需要较高的速度响应，可以适当减小设定值6.2伺服驱动器的使用伺服系统连接主回路接线驱动器R、S、T电源线的连接驱动器与电动机电源线之间的接线控制电源类接线r、t控制电源接线I/O接口控制电源接线信号指令线指令接口I/O接口反馈检测类接线6.2伺服驱动器的使用伺服系统连接电源部分的连接6.2伺服驱动器的使用6.2伺服驱动器的使用位置控制信号转矩和速度控制信号伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用SON伺服启动。此信号接通时，伺服励磁、启动（ServoOn）CLE脉冲清除。清除脉冲计数寄存器，清除dP5显示的数值伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用INH信号可以作为指令脉冲输入禁止信号用，此信号有效时，指令脉冲输入被禁止。可以通过参数PA29【指令脉冲禁止输入无效】屏蔽此信号INH信号也可以作为位置控制时急停信号用，此信号有效时，电机紧急停止伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用ZEROSPD可作为零速给定信号用。此信号有效时，电机停止运转ZEROSPD也可作为速度控制时的急停信号。此信号有效时，电机紧急停止伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用CWL反转驱动禁止。此信号有效时，电机反向运转驱动禁止，只能正转CCWL正转驱动禁止。此信号有效时，电机正向运转驱动禁止，只能反转当CCWL和CWL都有效时，电机正反转都禁止伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用S_RDY伺服准备好。当控制与主电路电源输入至驱动器后，若没有异常发生，此信号输出信号ZSP零速检出。当电机运转速度低于参数PA51的设定的值时，此信号有输出伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用COIN定位完成信号。在位置模式下，当偏差脉冲数量小于设定的位置范围（参数PA50设定值），此信号输出信号在速度和转矩模式下，当电机速度超出范围（参数PA52设定值），此信号输出信号伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用TLC扭矩限制中。驱动器转矩受限制扭矩时，此信号输出信号ALM伺服报警。当伺服发生报警时，此信号输出信号伺服系统连接伺服控制信号定义6.2伺服驱动器的使用BRK_OFF电磁剎车。电磁剎车控制的信号输出，调整参数PA-60与PA-61的设定伺服系统连接伺服电机单体的试运行6.2伺服驱动器的使用伺服系统连接速度控制单体运行6.2伺服驱动器的使用伺服系统连接位置控制单体运行6.2伺服驱动器的使用交流伺服系统控制模式转矩模式（参数PA4=2）转矩控制：输入的模拟量±10V时与电机的转矩（0-100%）成正比电机速度由内部或外部模拟量决定±10V时与电机速度成正比速度模式（参数PA4=1）输入的模拟量±10V与电机的转速（0-3000RPM）成正比定位精度由上位控制单元决定，0V输入时伺服电机保持在锁定状态6.2伺服驱动器的使用交流伺服系统控制模式位置模式（参数PA4=0）机械进给量与总指令脉冲数成正比机械速度与指令脉冲串的速度（脉冲频率）成正比在最后±1个脉冲的范围内完成定位，只要没有位置指令，伺服电机保持在锁定状态6.2伺服驱动器的使用伺服驱动器的测试平台主要有以下几种：采用伺服驱动器-电动机互馈对拖的测试平台采用可调模拟负载的测试平台采用有执行电机而没有负载的测试平台采用执行电机拖动固有负载的测试平台采用在线测试方法的测试平台机械进给量与总指令脉冲数成正比6.3伺服驱动器的测试采用伺服驱动器-电动机互馈对拖的测试平台测试系统由四部分组成，分别是三相PWM整流器、被测伺服驱动器-电动机系统、负载伺服驱动器-电动机系统及上位机，其中两台电动机通过联轴器互相连接被测电动机工作于电动状态，负载电动机工作于发电状态6.3伺服驱动器的测试采用伺服驱动器-电动机互馈对拖的测试平台被测伺服驱动器-电动机系统工作于速度闭环状态，用来控制整个测试平台的转速负载伺服驱动器-电动机系统工作于转矩闭环状态，通过控制负载电动机的电流来改变负载电动机的转矩大小，模拟被测电机的负载变化互馈对拖测试平台可以实现速度和转矩的灵活调节，完成各种功能测试上位机用于监控整个系统的运行，根据试验要求向两台伺服驱动器发出控制指令，同时接收它们的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示6.3伺服驱动器的测试采用可调模拟负载的测试平台测试系统由三部分组成，分别是被测伺服驱动器-电动机系统、可调模拟负载及上位机可调模拟负载如磁粉制动器、电力测功机等，它和被测电动机同轴相连上位机和数据采集卡通过控制可调模拟负载来控制负载转矩，同时采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示对于这种测试系统，通过对可调模拟负载进行控制，也可模拟各种负载情况下伺服驱动器的动、静态性能，完成对伺服驱动器的全面而准确的测试。但这种测试系统体积仍然比较大，不能满足便携式的要求，而且系统的测量和控制电路也比较复杂、成本也很高6.3伺服驱动器的测试采用有执行电机而没有负载的测试平台测试系统由两部分组成，分别是被测伺服驱动器-电动机系统和上位机上位机将速度指令发送给伺服驱动器，伺服驱动器按照指令开始运行在运行过程中，上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示由于这种测试系统中电机不带负载，所以与前面两种测试系统相比，该系统体积相对减小，而且系统的测量和控制电路也比较简单，但是这也使得该系统不能模拟伺服驱动器的实际运行情况通常情况下，此类测试系统仅用于被测系统在空载情况下的转速和角位移的测试，而不能对伺服驱动器进行全面而准确的测试6.3伺服驱动器的测试采用执行电机拖动固有负载的测试平台测试系统由三部分组成，分别是被测伺服驱动器-电动机系统、系统固有负载及上位机上位机将速度指令信号发送给伺服驱动器，伺服系统按照指令开始运行在运行过程中，上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示这种测试系统，负载采用被测系统的固有负载，因此测试过程贴近于伺服驱动器的实际工作情况，测试结果比较准确。但由于有的被测系统的固有负载不方便从装备上移走，因此测试过程只能在装备上进行，不是很方便6.3伺服驱动器的测试采用在线测试方法的测试平台机械进给量与总指令脉冲数成正比测试系统只有数据采集系统和数据处理单元数字采集系统将伺服驱动器在装备中的实时运行状态信号进行采集和调理，然后送给数据处理单元供其进行处理和分析，最终由数据处理单元做出测试结论采用在线测试方法，因此这种测试系统结构比较简单，而且不用将伺服驱动器从装备中分离出来，使测试更加便利此类测试系统完全根据伺服驱动器在实际运行中进行测试，因此测试结论更加贴近实际情况6.3伺服驱动器的测试选择一款合适的伺服驱动器需要考虑到各个方面，这主要根据系统的要求来选择，在选型之前，首先分析以下系统需求，比如尺寸、供电、功率、控制方式等，为选型定下方向6.4伺服驱动器的选型驱动器支持的电机类型，一般为直流有刷、正弦波、梯形波等，还有就