伺服系統(tǒng)是有哪些結(jié)構(gòu)組成的？它的工作原理是什么？

伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)，其結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于國防軍工, 如火炮的控制, 船艦、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛,導(dǎo)彈發(fā)射等,后來逐漸推廣到國民經(jīng)濟(jì)的許多部門,如自動(dòng)機(jī)床、無線跟蹤控制等。

“伺服(Servo)”一詞源于希臘語“奴隸”，意即“伺候”和“服從”，伺服系統(tǒng)就是指可以按照外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括位置、方位、狀態(tài)等輸出量的自動(dòng)控制。它不僅是工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的必要途徑。作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行單元，伺服電機(jī)種類繁多，其中永磁同步伺服電機(jī)因其高效節(jié)能、操作簡易等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為市場主流。相比于步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)在控制精度、穩(wěn)定輸出、過載能力等性能上優(yōu)勢明顯，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。本文將簡單介紹伺服系統(tǒng)以及伺服電機(jī)的工作原理及其分類，并對伺服電機(jī)的常用性能指標(biāo)作出說明。

01

伺服系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器和伺服電機(jī)等部件構(gòu)成，其運(yùn)動(dòng)原理圖如下圖所示：

伺服系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的變化而變化。伺服驅(qū)動(dòng)器在接收下達(dá)的控制命令后，會(huì)發(fā)出信號給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng);與此同時(shí)，嵌入電機(jī)的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器完成對信號的匯總、分析和修正。由此，伺服系統(tǒng)以閉環(huán)的形式精確控制了執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電機(jī)等機(jī)械傳動(dòng)裝置)的輸出變量。

伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及編碼器的功能介紹如下：

01

伺服驅(qū)動(dòng)器

1、構(gòu)成

伺服驅(qū)動(dòng)器主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。

伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功率板和控制板兩個(gè)模塊。功率板是強(qiáng)電部分(功率大、電流大、頻率低的電力部分)，其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開關(guān)電源單元，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制核心，也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體。控制板通過相應(yīng)的算法輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)或脈沖頻率調(diào)制(PFM)信號，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號，來改變逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制交流伺服電機(jī)的目的。其中，逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電(一般為220V，50Hz正弦波)的轉(zhuǎn)換器。

伺服驅(qū)動(dòng)器主要材料成本中，IGBT和DSP芯片占總材料成本的50%以上。IGBT即絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，用于功率驅(qū)動(dòng)單元，能夠輔助直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。我國IGBT市場90%以上被外資企業(yè)占領(lǐng)，在短時(shí)間內(nèi)IGBT實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化較為困難。

2、工作原理

控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。控制板所采用的數(shù)字信號處理器(DSP)除了具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如AC/DC(交流直流)轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN(控制局域網(wǎng)絡(luò))總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和大容量的程序存儲(chǔ)器等，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)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)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對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)過整流好的三相電再通過逆變器變頻輸出交流電來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。

伺服回路可根據(jù)輸入命令信號提供電機(jī)的比例控制。簡單的伺服驅(qū)動(dòng)器包含用于控制扭矩的單個(gè)伺服回路。更先進(jìn)的伺服驅(qū)動(dòng)器可增設(shè)速度環(huán)，并且還可以包含位置環(huán)。在完整的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的數(shù)字信號將命令所需的運(yùn)動(dòng)軌跡利用這三個(gè)伺服回路來優(yōu)化性能。每個(gè)環(huán)路向后續(xù)環(huán)路發(fā)送信號，并監(jiān)測適當(dāng)?shù)姆答佋?，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)更正，以匹配命令參數(shù)。

伺服系統(tǒng)的組成

伺服系統(tǒng)主要由伺服控制器、驅(qū)動(dòng)電路、伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)反饋檢測器件組成。

(1)伺服電機(jī)

伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，伺服電機(jī)內(nèi)部帶有編碼器，能實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)數(shù) 據(jù)給伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。

(2)伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器是用來控制伺服電機(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)，屬于伺服 系統(tǒng)的一部分，它的主要作用是按照控制命令的要求，對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理之后傳遞給伺 服電機(jī)。

(3)傳感裝置

傳感裝置最常用的是編碼器，一般伺服電機(jī)內(nèi)自帶編碼器，用以反饋采集的實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)給驅(qū)動(dòng)器， 從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)。

(4)伺服驅(qū)動(dòng)器對伺服電機(jī)的控制

伺服驅(qū)動(dòng)器一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。

①位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng) 的角度，也有些伺服可以直接對速度和位移進(jìn)行賦值，位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制。

②速度模式：速度模式通過模擬量的輸入或脈沖頻率的輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán) PID 控 制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或負(fù)載的位置信號給反饋上位機(jī)做運(yùn)算用。

③轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可 以通過即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小。

3.伺服系統(tǒng)原理

當(dāng)人為的給定控制信號并被伺服控制系統(tǒng)接收時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)按照控制信號的指令進(jìn)行一系列的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作;如果不再出現(xiàn)信號，被控傳動(dòng)裝置停止動(dòng)作直到控制信號的來臨。

4.伺服系統(tǒng)分類

(1)根據(jù)其作用對象的不同，可分為位置伺服系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)兩大類

1)位置伺服系統(tǒng)

是指能夠?qū)δ繕?biāo)指令位置進(jìn)行精確的跟蹤和定位的伺服系統(tǒng)。根據(jù)有無反饋，位置伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。

開環(huán)位置伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是不具有位置、速度反饋功能，其位置控制精度依賴于步進(jìn)電機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度。

閉環(huán)控制分為全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。全閉環(huán)控制下，檢測元件直接檢測被控對象在工作臺上的位移，并把該位移反饋給控制器，以構(gòu)成全閉環(huán)控制。由于控制器可以根據(jù)被控對象的實(shí)際位移進(jìn)行控制，因此全閉環(huán)控制具有很高的定位精度，可以消除從電機(jī)到機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)再到被控對象，整個(gè)過程的誤差。然而，閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)。

2)速度伺服系統(tǒng)

通常被驅(qū)動(dòng)機(jī)具的負(fù)載力矩是經(jīng)常變化的,供電電源的電壓和頻率也是經(jīng)常變化的,那么,被驅(qū)動(dòng)對象的運(yùn)行速度通常也是變化的。因此,速度伺服系統(tǒng)主要任務(wù)是保持被驅(qū)動(dòng)的機(jī)具 (或稱負(fù)載) 在所需要的精確的速度 (絕不是1種速度) 下穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)按照其執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)

1)直流伺服系統(tǒng)

直流伺服系統(tǒng)指的就是伺服電機(jī)是采用直流電機(jī)的伺服系統(tǒng)。

2)交流伺服系統(tǒng)

交流伺服系統(tǒng)主要由交流伺服驅(qū)動(dòng)器(或稱控制器)和交流伺服電動(dòng)機(jī)組成，系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)器為核心，驅(qū)動(dòng)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩、速度或位置的閉環(huán)控制使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能優(yōu)異。工業(yè)機(jī)器人有4大組成部分，分別為本體、伺服、減速器和控制器。而其中，工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對于交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等多種功能。

伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)是以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)除了可以進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，還可以進(jìn)行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個(gè)給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動(dòng)系統(tǒng)。

狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)，其被控制量(輸出量)是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量(輸入量)作任意變化時(shí)，系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化。

伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。

伺服系統(tǒng)組成原理框圖

1、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID(比例、積分和微分)控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。

4、被控對象

被控對象指被控制的物件，例如一個(gè)機(jī)械手 臂，或是一個(gè)機(jī)械工作平臺。

5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)和功用

伺服系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成，具有以下特點(diǎn)：

必須具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號。

功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。

足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性能。

快速的響應(yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力。