伺服驱动系统（精选10篇）
伺服驱动系统 篇1
摘要：随着伺服系统的普及, 伺服系统的监测也越来越有实际意义。针对德国博世力士乐的伺服驱动器IndraDrive, 采用灵活易用的VB6.0编程语言, 通过IndraDrive本身所带的RS232串行通信接口, 实现了上位PC机与伺服驱动器的串行通信, 完成了对伺服系统的实时监测。
关键词：伺服驱动器,RS232口,检测,伺服系统
1概述
伺服驱动器是构成伺服系统的基本部件, 广泛应用于各种电力传动自动控制系统中, 如数控机床、柔性制造系统、机器人驱动等。在应用伺服驱动器的过程中, 实时读取和修改各个控制参数来达到实时控制是对伺服系统的基本要求。本文针对德国博世力士乐的伺服驱动器IndraDrive, 采用灵活易用的VB6.0编程语言, 通过IndraDrive本身所带的RS232串行通信接口, 实现了上位PC机与伺服驱动器的串行通信, 完成了对伺服系统的实时监测。
2IndraDrive的通信协议
IndraDrive采用515通信协议, 它是一种二进制通信协议, 含有完整的报文格式和返回校验格式。针对博世力士乐的各种产品 (PLC、伺服驱动器等) , 515协议的通信格式是统一的。
515协议采用的数据格式为:l位起始位, 8位数据位, 1位或2位停止位, 无校验位。通信传输数据的波特率为115 200 b/s。515协议采用十六进制数据格式来表示各种指令代码及数据, 其软件通信指令经过优化设计后只有两条, 一条为读指令, 一条为写指令, 两条指令使得上位机软件编写非常方便。
515协议的报文格式见表1。
其中报头由8个字节组成, 它们的意义如下:
第1个字节StZ:起始位, 默认为0x02;
第2个字节CS:用于校验数据, 它的值是除此字节外所有的数相加后的低8位值异或FF, 再加1后的值;
第3个字节DatL:除去报头后所有数据的长度 (字节的个数) ;
第4个字节DatLw:重复第三个字节的内容;
第5个字节Cntrl:决定错误返回类型, 默认为0x00;
第6个字节Service:服务类型 (读参数写0x80, 写参数写0x8F) :
第7个字节AdrS:驱动器地址;
第8个字节AdrE:驱动器地址。
用户数据头包含5个字节, 意义如下:
第1个字节control byte:操作参数值, 默认为0x3C;
第2个字节Device address (Unit address) :驱动器地址;
第3个字节Parameter type:参数类型, 对于驱动器其值为0x00:
第4、5字节Parameter number:参数号, 对于驱动器的S参数, 直接写参数号的十六进制值;对于P参数, 写“215+参数号”的十六进制值。
用户数据的数据长度取决于操作参数的数据类型。如操作参数为INT型, 写2个字节;操作参数为DWORD型, 写4个字节。写的时候注意低位字节在前, 高位字节在后。
3利用VB实现PC机与IndraDrive的串行通信
PC机与IndraDrive的通信常采用主从问答方式, PC机始终具有初始传送优先权。每次通信都是由PC机通过发送 (读/写参数) 命令启动通信, IndraDrive在接到PC机发送的命令后, 首先检查命令中的起始标志, 然后检查命令中的驱动器地址是否与自己的驱动器地址相符。如果不一致, 说明计算机是与其他的驱动器进行通信, 从而忽略该命令;如果一致, 就响应该命令, 并将执行结果回送到PC机, 一次通信过程结束。
在VB的控件工具箱中提供了一个使用非常方便的串行通信控件MSComm, 它全面地提供了使用串行通信上层开发的所有细则, 串行通信的实现既可以采用中断方式, 又可以采用查询方式。MSComm控件提供了实现串行端口中断功能的OnComm事件, 该事件是唯一的, 可以截取串口的任何消息, 当有串口事件或错误发生时, VB程序就会自动转入OnComm事件处理程序中。CommEvent属性存有串口最近的事件或错误的数值代码, 可以在程序中随时读取CommEvent属性值来了解通信情况, OnComm事件和CommEvent属性密切相关、一起使用, 当任何一个OnComm事件或错误发生时, 都会使得CommEvent属性值改变。在OnComm事件处理过程中, 可以通过判断CommEvent属性值, 对于不同的属性值转入不同的事件处理过程。
根据515通信协议的规定, VB程序中主要是针对MSComm控件的操作, 主要有MSComm控件的初始化和OnComm事件的处理。
MSComm控件的主要初始化代码如下:
OnComm事件的处理程序主要代码如下:
4伺服系统实时监测的实现
基于以上VB程序, 在博世力士乐伺服驱动器中提供了一级、二级、三级诊断参数。我们只要通过PC机实时读取此3个参数下的反馈值就能得到实时监测的效果。下面以DOK-INDRV*-GEN-**VRS**-PA01-EN-P型号1级诊断为例进行说明。
一级诊断参数为S-0-0011, 参数结构见图1。
为了读取一级诊断反馈值参数S-0-0011的值, 首先将参数号11转化为十六进制数0B, 即在用户数据头的第4、5两个字节分别写入0B 00 (注意:高字节在后, 低字节在前) , 其他字节可以相继得出, 因是读参数值, 所以不需写用户数据, 从而发送内容应为:02 02 05 05 00 80 01 01 3C 01 00 0B 00。如果接收到类似02 20 07 07 10 80 01 01 00 3C 01 00 00, 最后2个字节为有效字节;00 00对应2进制码为0000 0000 0000 0000, 则表示没有发生诊断1所示的报警。如果接收到02 20 07 07 10 80 01 01 00 3C 01 01 00, 最后2个字节对应2进制码为0000 0000 0000 0001, 则表示过载报警。如接收到02 20 07 07 10 80 01 01 00 3C 01 02 00, 最后2个字节对应2进制码为0000 0000 0000 0010, 则表示放大器过热。
5结语
本文开发的系统是为天津大学所做的数控试验台配套的监测系统, 现已成功应用到实践当中。该系统具有灵活可靠的特点, 并且可以通过串口和适当的编程同时监测多个伺服驱动器。
参考文献
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[6]张立勋, 张今瑜, 杨勇.机电一体化系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2005.
伺服驱动系统 篇2
摘要：研究并设计了应用于母盘刻录机的高精密工作台伺服驱动环节。在基于DSP数字闭环控制器的基础上，通过理论建模、程序仿真和实验验证，对驱动环节进行了优化设计。在驱动环节中采用了模拟速度环、PI校正环节和线性功放，使工作台在低速下有较快的响应和较小的稳态误差。实验结果表明，使用驱动环节后的伺服控制系统有利于提高母盘的刻录精度。
关键词：母盘刻录 精密工作台 驱动环节 速度环 PI校正
随着社会的发展，信息的存储量越来越大，光盘信息存储技术也在不断飞速发展，因而对母盘制造精度提出了更高的要求。
(本网网收集整理)
目前，光盘国家工程研究中心利用高速数字信号处理器(DSP)，采用数字闭环控制原理和传统伺服电机驱动方式，实现了高精度工作台的连续大行程运动。其微位移定位精度为±50nm，宏位移定位精度优于±150nm，可以满足母盘刻录直线进给工作台的连续变速和±50nm控制精度的要求。
在此基础上，本文研究并设计了工作台的模拟驱动环节，以提高控制系统低速响应的稳定性和快速性。
1 系统总体结构
母盘刻录系统直线进给工作台的底座固定在隔振大理石台上，底座上安装了带高精度滚珠的V型槽作为运动导轨。工作台经蜗轮蜗杆和小螺距精密丝杠两级减速，通过直流伺服电机进行驱动。
母盘刻录系统采用恒线速刻录方式，聚焦光斑相对于母盘的理想运动是沿着以母盘圆心为中心的等线距阿基米德螺旋线以恒定线速度由内向外运动的，该运动由母盘的高速转动和刻录光学头的径向直线进给合成得到。
该精密工作台用于母盘刻录的正常工作速度约为30μm/s，采用上述大减速比的机械传动系统不可避免地存在传动误差。因此要实现精密定位，必须采用全闭环控制系统，直接检测工作台位置并针对位置误差进行伺服控制。工作台的控制系统总体结构如图1所示。
2 模拟驱动环节的建模
2.1 直流电机模型
工作台驱动电机采用上海电机厂生产的直流力矩测速电机组45L-CZ001。
若忽略电枢电感和粘性阻尼系数，则以电枢电压Ua(s)为输入、转速Ω(s)为输出的直流电机的传递函数为：
F(s)=Ω(s)/Ua(s)=(1/Ke)/[(Tms+1)(Tes+1)]≈(1/Ke)/Tms+1
其中，Ke为电动机反电动势系数，其单位为V・s;Tm为电机的机械时间常数;Te为电机的电气时间常数，其值很小可忽略，因此直流电机可以被简化为一阶系统。
图5 实际PI校正环节
电机机械时间常数的测定可以通过给电机加一个7V阶跃电压，然后用示波器测定响应到达稳定值0.632时所用的时间而近似得到，如图2所示。得机械时间常数Tm=0.06s。
开环情况下，输入电压经过线性功放后直接驱动电机，用转速表HT-331测量对应转速，可以得到放大倍数。测得的数据列于表1中。
表1 测得的数据表
电压/V0.51.01.52.02.5转速/rpm070302520750电压/V3.03.54.04.55.0转速/rpm9931195144816861930
数据经过直线拟合后，得到放大倍数为463.25。
电气时间常数很小，近似取Te=0.0012，可以得到经过功放后的直流电机模型的传递函数为：
F(s)=Ω(s)/Ua(s)=463.25/[(0.06s+)(0.0012s+1)]
2.2 驱动电路设计
为了提高系统在低速时响应的快速性、稳定性和带负载能力，要对模拟驱动电路进行设计，由测速机引入速度负反馈，电压差值经过PI校正环节和线性功率放大器放大后驱动直流伺服电机运动。驱动环节方案如图3所示。
PI校正环节的设计对驱动环节的性能有重要的影响，原理图如图4所示。其传递函数为：
V0/Vin=Ki(1/T0is+1)(Tjs+1/Tis)
其中，Ki=Ri/R0为校正器的比例放大系数，τi=RiCi为校正器时间常数，T0i=R0C0i/4为滤波时间常数，一般取值较小，用于过滤高频噪声干扰。为了能够将速度环设计成典型二阶环节，必须保证校正器零点的选择能够消掉调节时间大的时间常数，即τi=Tm。若取滤波时间常数T0i=0.25ms，R0=100kΩ，则滤波电容C0i=0.01μF。取比例放大倍数为Ki=3，得Ri=KiR0=300kΩ，于是得Ci=0.2μF。
为了保证PI校正环节在达到稳态时放大器不致因开环而饱和，故在PI反馈线路上并联一个反馈大电阻R1=1MΩ。此外，为了便于调节，将PI校正器增加比例系数功能，但又为防止调整时对时间常数产生太大影响，于是要保证Ri》R1，取R1=10kΩ，R2=1kΩ。实际采用的电路图如图5所示。
下面测定测速反馈系数，数据列于表2中。
表2 测速反馈系数表
转速/rpm070302520750电压/V00.965.7511.016.0转速/rpm9931195144816861930电压/V21.126.531.536.841.8
将数据进行直线拟合后得到反馈系数为:
H(s)=0.022
忽略PI校正环节滤波时间常数T0i，最终可得到速度。环开环传递函数为：
G(s)H(s)=3(0.06s+/0.06s)(463.25×0.022)/(0.06s+1)(0.0012s+1)
=509.6/[(s0.0012s+1)]
3 驱动电路仿真
选用的仿真环境是Matlab6.1及其下的Simulink工具箱。
3.1 速度环开环伯德图
速度环开环传递函数为：
G(s)H(s)=509.6/[(s0.0012s+1)]
用Matlab6.1绘制伯德图，得到图6。
剪切频率：416Hz 相角裕量：65度
系统有充分的相角裕量，可知系统稳定。
3.2 速度环闭环阶跃响应仿真
用Matlab6.1下的Simulink工具箱搭建速度环闭环系统结构图，如图7所示。加以0.2V的阶跃信号，取反馈系数为0.022，仿真结果如图8所示。
从响应曲线图上可以看出，系统阶跃响应的上升时间为5ms，超调量为6%，转速稳定值为10rpm/s，系统性能良好。
4 实验数据处理与分析
经过理论建模和程序仿真后，设计及调试用于精密伺服工作台的模拟驱动环节，并进行时域分析，比较实验结果。
4.1 不加模拟驱动环节
首先不加模拟驱动环节，用DSP数字控制器的输出信号(经过线性功放)直接驱动直流力矩电机运动。
4.1.1 DSP开环实验
在DSP数字控制器开环情况下加一个输入电压，测试所加电压和工作台速度的关系，工作台速度由采集的`直线位置光栅信号经过VC++程序处理得到。所得数据列于表3中。
表3 输入电压与工作台速度关系表
电压/V1.01.11.21.31.4速度/μms-100～55～1010～1515～20
由表中数据可见，DSP开环的速度稳定性差，死区电压为1.1V，系统灵敏度有待提高。
4.1.2 DSP闭环实验
DSP数字控制器闭环时，指定工作台以20μm/s的低速运动。图9中，(a)为速度响应曲线，(b)为位移响应曲线，(c)为位移响应曲线局部放大图。
由图9(a)和图9(c)可以看出系统有近40ms的延迟时间，其中20ms为死区时间(系统无响应)。系统产生延迟主要有下面两个原因：机械传动系统存在齿隙、回程等误差;电机机械响应存在延迟。
由图9可以得到不加模拟驱动环节时系统阶跃输入的时域响应指标如下：
延迟时间：40ms 上升时间：60ms
峰值时间：100ms 超调量：25%
稳态误差：15%
可见，在不加模拟驱动环节、直接用DSP闭环控制时，精密工作台的低速响应已经达到了一定的快速性和稳定性。但是用于母盘刻录时，工作台的稳定性则需进一步提高。
4.2 加模拟驱动环节
在工作台控制系统中采用带有速度环、PI校正和线性功放的模拟驱动环节驱动电机运动，进行DSP数字控制器开环及闭环实验。
4.2.1 DSP开环实验
使用模拟驱动环节后，实验测得在DSP数字控制器开环时，系统在0.2V电压下已经能够产生较连续的响应了，如图10所示。可见系统灵敏性有所提高。
4.2.2 DSP闭环实验
加上该模拟驱动环节后，对系统进行DSP数字控制器的闭环实验，仍然指定工作台以20μm/s的低速运动。图11中，(a)为速度响应曲线，(b)为位移响应曲线，(c)为位移响应曲线局部放大图。
由图11(a)和图11(c)可知，系统的延迟时间为20ms，其中10ms为死区时间。可见加上该模拟驱动环节后系统的延时减少。
由图11可以得到加模拟驱动环节后的系统阶跃输入的时域响应指标如下：
延迟时间：20ms 上升时间：30ms
峰值时间：60ms 超调量：7.5%
稳态误差：7.5%
图11 加驱动环工作台闭环阶跃响应
比较实验结果可以看出，加模拟驱动环节后，精密工作台系统的灵敏度大幅提高，且系统的低速稳定性能提高一倍。但速度曲线仍存在波动，这主要有两方面的原因：一是机械传动系统精度影响了工作台的稳速精度;二是工作台位移检测光栅分辨率有限，直接影响了采样点之间位移增量的测量精度。
浅谈伺服系统的设计 篇3
伺服系统(Servo system)也叫随动系统,是自动控制系统的一种。光机电一体化系统中的伺服系统,以机械量(如位移、速度、加速度、力和力矩等)作为控制量,在控制指令作用下驱动执行元件,使机械的运动部件按照控制指令的要求运动,并满足一定的性能指标。伺服系统的基本要求是使系统的输出量能够快速而精确地跟随输入指令的变化规律。伺服系统通常具有负反馈的闭环控制系统,也有采用开环控制系统。伺服系统服务的对象很多,如计算机光盘驱动控制、弧焊机器人轨迹控制、雷达跟踪系统等,都需要使用伺服系统。虽然服务对象的运动部件、检测部件以及机械结构等不同,对伺服系统的要求有差别,但所有伺服系统的共同点则是带动控制对象按照指定规律作机械运动。伺服系统的一般组成可描述为图1所示的形式。
伺服系统的执行元件是机械部件和电子装置的接口,功能是根据控制器发出的控制指令,将能量转换为机械部件运动的机械能。根据执行元件能量转换形式的不同,可以分为电气元件、液压元件和气压元件3种。伺服系统的执行元件可由3种元件独立构成,也可以互相组合。如完全由电气元件组成的电气伺服系统,由电气和液压元件组合的电气一液压伺服系统等等。电气执行元件也就是通常所说的电机,具有能源易获取、干净无污染、控制性能良好等优点,目前多数伺服系统采用电机作为伺服系统的执行元件。
二、伺服系统的基本要求
1.对系统稳态性能的要求
伺服系统的稳态性能指标包括系统静态误差、速度误差、加速度误差。速度误差是指系统处于等速跟踪状态时,输出轴与其输入轴作相等的匀速运动时,同一时刻二者的转角差;加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时,在同一时刻两轴之间的最大差值。
2.对伺服系统动态性能的要求
伺服系统应渐近稳定并留有一定的稳定裕量。在典型信号输入下,系统的时域响应特性要满足规定要求。一般用最大超调量、过渡过程时间、振荡次数等特征量作为衡量指标;频域响应特性则用最大振荡指标、系统的频带宽度等特征量作评价指标。
3.对系统工作环境条件的要求
如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动等。
另外,还有对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。
三、伺服系统设计方法
1.对伺服系统进行总体设想
制定系统总体设计方案首先根据需要与可能,对伺服系统的总体有一个初步的设想。明确整个系统由哪几个部分组成,系统的控制方式是开环控制、闭环或复合控制,如果是闭环控制,还需选择检测元件;伺服系统的执行元件采用纯电气元件,还是采用电气一液压或电气一气动的组合,如果确定采用纯电气的方案,还需进一步确定采用步进电机;采用直流伺服电机或交流伺服电机;机械传动部分是直接传动,还是采用减速机构;减速机构用谐波齿轮还是同步带等等。在制定总体方案时,必须明确各部分的功能、性能指标以及实现部件。
2.系统的动力学参数设计
伺服系统总体方案确定后,必须进一步将系统各部分细化,通常先根据总体方案中对各部件的性能要求进行动力学设计。首先要根据被控对象的运动特点,选择系统的执行电机以及驱动电机的功率放大器、机械传动的形式和机构。根据系统工作精度的要求,确定检测装置具体的组成形式,选择元件的型号规格,设计具体的线路参数。在考虑各元、部件之间的接口时,要注意阻抗匹配、分辨率、供电方式和接地方式。为使有用信号不失真、不失精度地有效传递,要设计好耦合方式。
3.系统动态参数设计
系统的动态设计主要解决机电系统之间的接口以及确定电气参数。根据被控对象对系统动态性能的要求,建立动态数学模型。结合系统数学模型,进行动态设计,使校正后的系统能满足动态性能指标要求。
4.系统的仿真试验
系统的仿真试验根据校正后的系统数学模型进行仿真,检验各种工作状态下系统的性能,以便发现问题并及时调整。
伺服驱动系统 篇4
伺服系统用来控制被控对象的某种状态, 属于自动控制系统的一种。机电相结合的伺服系统主要是由机械传动部分和控制部分组成的, 除此之外往往还有润滑、液压部分, 系统通过各部分的耦合实现控制。对于传动系统, 若在非平稳的状态下发生机电耦合振动, 将对系统的安全运行造成威胁。因此, 分析伺服系统中精密传动系统的耦合机理就显得十分重要, 这也对工业生产有重大意义。本文介绍了永磁交流伺服精密驱动系统机电耦合及其相关模型的建立, 同时结合具体实例, 分析了该系统在实际运作中的特点以及一些对应参数的变化规律, 以便理解机电耦合模型, 同时也给我们的建模提供一些建设性的意见。
1 永磁交流伺服精密驱动系统机电耦合概述
作为现代交流伺服系统的主流, 永磁同步电动机具有结构简单、功率高、易于散热、转动惯量低等许多优点。精密传动是一种非常重要的基础性零件, 也是双向高精度传递运动机械传动形式的总称。这类机械传动形式是做高精度机械传递运动, 具有极高的承载能力和运动精度, 并且具有刚度高、体积小、响应快等特点。精密传动包括很多种, 例如常见的齿轮传动和螺旋传动, 以及不常见的少齿差行星传动、谐波传动和轮系传动等。同样, 永磁交流伺服驱动系统也包含很多种子系统, 如驱动系统、传动系统、冷却系统以及负载系统等, 这些子系统相结合才组成了完整的主系统。各子系统间存在大量的物理过程和多参量耦合关系, 这些耦合关系以及关系的输入和输出决定了相应的永磁交流伺服精密驱动系统的动态性能, 而各个子系统的动态性能又受到其他子系统动态性能的影响。因此, 在分析永磁交流伺服精密驱动系统的动态性能时要先建立局部的耦合模型, 通过对局部耦合模型、耦合方式及规律的分析得出整体的规律, 才能更加快捷准确地解决问题, 找准原始的规律, 这对更好地分析永磁交流伺服精密驱动系统的运作规律及方式有很大帮助[1]。
2 伺服系统中耦合的建模分析
高精度伺服系统具有精密控制系统运行、保持过程高度稳定性的特点, 并且对制造过程有精密的自动调节能力。在对伺服系统进行耦合分析时要采取耦合事实提取、耦合问题建模、耦合参数模型解耦等步骤, 下面我们就通过建模的方法对伺服系统中的局部耦合和整体耦合作相应分析[2]。
2.1 局部耦合建模分析
要想对局部耦合问题进行建模分析, 就得先把问题从整体中分离出来, 利用现有的数学、物理公式建立模型, 并作相应分析。通常, 一个伺服系统都是由许多基本元件组成的, 如电感、电阻、弹簧、电容等, 可以对应地写出其各自的特性规律方程, 即:
(1) 电感的物理特性方程:u=Ldi/dt, 即流经电感L的电流i和电感端电压的关系;
(2) 电阻的物理特性方程:u=Ri, 即电阻两端电压与流经电阻的电流i的关系;
(3) 弹簧的物理特性方程:F=K∫vdt+F0, 即在外力F作用下的刚度为K的弹簧与其速度v的关系;
(4) 电容的物理特性方程:i=Cdu/dt, 即电容在充电或放电的条件下与电流的关系。
机电回路是由机电元件连接组成的, 因而机电系统中的输入和输出关系满足基尔霍夫电流和电压定律, 即在任意一个闭合回路中有u=0或经过任意一个节点的i=0。同时, 在机电系统中仍然遵循达朗贝尔空间连接定律, 即在机械网络中, 绕任一回路的位移和速度的和均为0。通过对每一个元件的特性方程的列举, 并结合对应满足的定律就可以建立起相应的数学模型, 而通过对建立的模型进行试验和分析就可以解决部分耦合问题。
2.2 全局耦合建模分析
通过对耦合参数基本规律的了解, 可以对全局耦合结构进行相应的分析, 从而对系统的全局耦合进行建模。伺服系统是由很多个子系统组成的, 其通过子系统之间的耦合来实现整体的联系, 因此必须根据各部分之间的关系, 并结合对应的方程才能建立起关于整体耦合的模型。具体要解决以下几个问题: (1) 分析耦合参数与主运动的关系及全局耦合模型如何解耦; (2) 分析奇异点的条件和动态规律, 进行解耦单元设计; (3) 对部分进行分析解离, 然后找到各部分之间的耦合方式, 从而实现数学模型的建立。
3 机电耦合模型的算例分析
永磁精密传动装置的机电耦合动力学方程组是多变量及非线性的, 因此在求解时不宜用解析法, 最好用数值计算法来对其动力学规律进行研究。假设存在一个传动系统, 相关的参数如下:定值电阻5.6Ω, dq轴电感11.57 mH, 转子永磁体磁通量0.125 Wb, 极对数为4, 转子转动惯量为0.384×10-4 kg·m2, 额定转矩为1.47N·m, 额定转速4 000r/min, 电机粘滞摩擦系数为0, 减速器转动惯量为1.25×10-6 kg·m2, 减速器粘滞摩擦系数为0.001kg·m2/s。系统空载启动时电机转速设定为800r/min, 空载三相定子电流波形在0.015s后为一条平滑的水平线, 在开始到0.015s之间为波动的波形, 且平稳后的电流显示为0。对应的空载转速波形, 同样是在0.015s之前波动极大, 0.015s后稳定在大约800r/min。同样, 空载的转矩波形也是在0.015s前后呈现不同的变化规律, 随后稳定在0值。为了进一步分析, 在系统运作的0.06s时突加负载转矩2N·m, 且初始转速不变, 此时波形图出现明显变化, 并且三相定子电流在0.06s后出现极大的波动, 波动区间为-5~5A。三相定子电流在持续0.1s后仍是一种波动的形态, 此时, 对应的转速波形在0.06~0.065s之间波动, 在0.065s后稳定在与前一阶段相同的转速值上。此时, 转矩波形则不同, 即在0.06~0.07s的整个区间内都出现波动, 而在0.07s后的稳定值明显大于前一阶段的稳定值。通过对初始转速相同, 系统启动后不加载和启动后加载这2种情况的分析可看出, 加载后系统的转速波形和转矩波形在0.06s都有变化, 但是最终保持稳定。这种现象正好符合PMSM特性, 说明对应的PMSM机械特性比较显著。同时, 上述分析也成功模仿了系统空载和突加负载的情况, 也正好验证了所建立数学模型的正确性[3]。
4 结语
永磁交流伺服精密驱动系统是一种机电耦合系统, 它的主要作用是实现机电能量的转换, 因此在分析其耦合特性时, 必须从复杂机电系统的角度对其进行局部耦合和全局耦合的分析, 从而达到建立相应的数学模型的目的, 以方便分析和实验。只有对该系统的每一部分都进行仔细的分析, 并结合适用的方程及原理, 才能建立耦合模型, 从而通过对模型的研究实验来解决机电耦合中的问题。同时, 这对现代工业化生产也是很有利的, 不但可以提升工作效率, 还可以降低机电耦合问题的发生率, 减少机械生产的损失。如今, 永磁交流伺服精密驱动系统在我们的工业化生产中运用较多, 其具有运作完美流畅的明显优点, 不过仍需要我们进行仔细的分析, 从根本上了解其运作规律和方法, 以便更好地运用。
参考文献
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[2]周超群, 陈小安, 合烨.伺服系统中精密传动装置精度分析[J].现代制造工程, 2007 (4)
伺服系统工作原理（本站推荐） 篇5
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 deviceMotor FB Velocity Feedback The Position Servo Compensator Commanded Position Drive Actual Position Position Error ++Pcomp Vcomp Icomp Actual Velocity Current Command To Inner Loop Vder* Actual Current + Motor FB +Pderived Controller Drive Current Limit Velocity Command Position Feedback +Pcomp Vff + Motor FB ++ 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 StopThe 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 + +Pderived Position Feedback Proportional Plus Integral Velocity Loop Position Control Architecture +P P+I Vderivedstep 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。
伺服驱动系统 篇6
四川攀长特钛业分公司拥有一套完整的钛电极模压生产线, 其中电极堆垛系统是该生产线最后一道工序设备, 将压机压出的块状电极堆垛成一根完整的圆柱形电极棒。电极堆垛系统结构见图1, (1) 电气控制部分由两套全数字单通道交流伺服驱动器加三相交流永磁式伺服电机组成, 采用伺服位置控制方式。控制结构为伺服电机自带编码器, 位置信号反馈至伺服驱动器, 与开环位置控制器 (CN数控计算机) 一起构成半闭环控制系统。根据现场工艺要求编写的程序控制伺服驱动装置完成堆垛杆的旋转与升降。 (2) 机械部分采用1台减速比为1∶187的行星减速器经1组滑轮组、1个平衡轮、4根支绳结构, 下拉堆垛旋转机构总成, 经吊杆铰链带动堆垛成型的电极块。
电极堆垛系统投产1年每到夏季气温偏高, 堆垛10t电极大约在7t以上重量时升降伺服驱动器经常出现er0=03过温报警, 伺服器停机现象, 使用测温枪测试伺服驱动器散热板温度达65℃左右。为此从负载特性及伺服驱动系统特点进行综合分析, 找出故障原因。
二、故障分析
1. 负载特性
电极堆垛系统所带负载 (电极) 属于位能性负载, 堆垛过程中电极块从底层依次堆垛至最高层, 对垛方向始终垂直向下, 动作特性类似于起重机垂直下放重物。以堆垛系统最大负荷10t规格电极, 做简单定性、定量分析, 10t电极共由72块重量为126kg的电极块组成, 则总重量为72×126=9072kg。电极从第一块到最后一块的堆垛过程中, 重量不断线性化递增, 因此经滑轮组支绳平分载荷再经减速器折算到电机轴上的负载不是恒转矩负载, 其负载转动惯量J和负载转矩MZ也在不断线性递增。每堆1块电极, 电极总重量就要增加126kg, 当堆垛到18层左右时电极约重6800kg, 此时J和MZ也达到了使伺服器超温报警的临界点。根据电力拖动系统基本运动方程M=Ma+MZ=J (dω/dt) +MZ, 其中Ma———动态转矩 (N·m) , ω———角速度 (rad/s) , 可以看出在系统过渡过程中J和加减速时间在很大程度上影响MZ。在位置控制工艺过程中要求精确定位时, J和Ma越大、加减速时间越短, 则电机制动转矩及制动电阻上消耗的制动功率也就越大。
2. 伺服器结构及安装环境
伺服驱动器采用四川新科瑞公司DS503全数字式交流伺服控制器, 额定功率7.5kW, 外形尺寸255mm×105mm×199mm, 结构小巧, 制动电阻为内置结构。IGBT晶体管及制动电阻均安装在伺服驱动器机壳外侧的散热板上, 两只风扇直径为92mm、通风量为1.05m3/min的小型轴流风机为控制柜散热。夏季环境温度达30℃以上, J增大及加减速时间短时, IGBT晶体管及制动电阻所消耗的热能急剧上升, 而机柜风机风量偏小, 换热能力偏弱, 导致伺服器热保护动作。
三、故障处理
1. 优化驱动器参数
伺服系统启停特性即加减速时间, 由负载转动惯量及启动、停止频率决定, 也受伺服驱动器和伺服电机性能的限制。电极堆垛系统行星减速器转动惯量为252×10-4kg·m2, 伺服电机采用武汉登奇机电公司生产的GK6087-6AC61型交流伺服电机, 说明书提供的电机转动惯量为64.2×10-4kg·m2, 按系统最小惯量倍数计算m=Jz/Jm= (252×10-4) / (64.2×10-4) ≈3.92。根据计算结果, 按照表1和DS503伺服驱动器位置控制流程 (图2) 提供的参数表, 从降低附加的Ma入手, 分别调整以下参数。
(1) 参数P12为位置指令脉冲分频分子, P13为位置指令脉冲分频分母。位置控制系统中的位置分辨率Δl (1个脉冲行程, mm) =ΔS/Pt, ΔS———伺服电机每转行程 (mm/r) ;Pt———编码器每转反馈脉冲数 (脉冲/r) 。系统中有四倍频电路, 因此Pt=4C, C———编码器每转线数, 该系统C=2500线/r, 得出Pt=10000脉冲/r。
指令脉冲乘以电子齿轮比G后才转化为位置控制脉冲, 因此1个指令脉冲行程表示为Δl*= (ΔS/Pt) ×G, 其中G=指令脉冲分频分子/指令脉冲分频分母=P12/P13, G设置合理, 可在满足设备工艺要求基础上适当降低电机转速, 降低Ma, 减小发电制动功率。
(2) 参数P36是位置控制加速时间常数, P37是位置控制减速时间常数。适当增加加减速时间 (可先设定的大一些, 再根据实际情况降低至合适值) , 同样可有效降低Ma, 减小发电制动功率。
具体参数调整见表2。
2. 改善散热通风结构
外置伺服驱动器200Ω制动电阻, 将制动电阻取出安装在控制柜出风口附近, 使伺服驱动器自身的散热板只承担IGBT晶体管的散热任务, 这样可明显降低伺服驱动器工作温度。同时为加大控制柜通风量, 控制柜改用两只风扇直径为150mm、通风量为5.5m3/min的小型轴流风机, 换热能力增加近5倍。
上述措施实施后, 伺服驱动器工作稳定, 经受住最炎热的夏季考验, 堆垛最大规格10t电极未出现过温报警现象, 使用测温枪测试伺服驱动器散热板温度约为48℃, 效果明显。
摘要：针对电极堆垛系统交流伺服驱动器过温报警, 综合分析负载惯量及加减速时间对伺服驱动系统启停特性的影响, 优化参数, 改变制动电阻安装方式, 消除伺服驱动器过温现象。
伺服驱动系统 篇7
伺服驱动器是一种用于控制方向和高度的驱动机构[1], 广泛用于轮船、汽车、导弹等的伺服控制系统中。为了满足工业和国防的需要, 针对伺服驱动器实验室条件下的加载技术已经越来越重要。尽管伺服驱动器在实际工作中的加载条件十分复杂, 但是在实验室条件下, 一般采用线性加载转矩的方法。
根据驱动模式, 伺服驱动器实验的加载方法大体分为三类:机械加载、电液伺服加载和电动加载[2]。机械加载方法结构简单, 只能应用在一些线性度不高和可重复性很强的加载应用上。而电液伺服加载和电动加载方法虽然线性度很高, 但结构复杂且成本很高。为了克服伺服驱动器加载方法的缺点, 我们对一种伺服驱动器液压比例加载系统进行了研究, 该系统的加载近似线性, 能很好克服以上的缺点。
1 液压比例加载系统的基本原理与组成
液压比例加载系统由比例减压阀、电磁换向阀、节流阀、液压缸、摇杆和液压动力端组成, 如图1 所示。比例减压阀和液压缸是该系统中的主体, 这个系统在摇杆的推拉下产生加载力。单杆液压缸是不对称的, 该液压缸的底部固定, 由液压缸活塞杆通过耳轴与摇杆连接 (C表示图1 中的连接点) 。摇杆的一端与液压缸活塞杆连在一起, 另一端连着伺服驱动器的旋转中心 (图1 中的A点) 。在图2 中位于旋转中心A和液压缸底部B的连接线AB与固定面P垂直。
安装在液压动力端输出处的电动比例减压阀能够调整液压缸的工作压力, 以便调节加载转矩的梯度。由于比例减压阀能够在很大范围内调整压力, 所以在大范围内调整加载转矩梯度也十分方便。蓄能器也安装在比例减压阀输入的附近, 这样做不仅可以稳定系统的压力, 减少压力脉冲的产生, 也可以改善动力负载特性, 提供大量的暂态流。
M型的三位四通电磁换向阀被安装在减压阀和液压缸之间, 它能通过改变液压缸输出力的方向来改变加载转矩的方向。当电磁换向阀在不同状态时, 加载系统就会在不同模式下工作。如果换向阀在中位工作时, 那么液压力就是卸荷, 此时两个腔和液压缸是密封的, 这就意味着加载系统是在锁紧的条件下。如果换向阀在左位工作 (交叉连接) , 液压缸内腔充满着高压油, 输出力的方向和液压缸连杆的伸出方向一致。相反, 如果交换阀在右位工作时 (直接连接) , 输出力的方向与液压缸连杆的方向相反, 液压缸内腔充满高压油。安装在电磁换向阀回油口的节流阀提供回压, 保证液压缸运动的平稳。
在摇杆绕A点旋转过程中, 活塞杆在受到摇杆推拉力作用下在液压缸内作往复运动。如果油压保持不变, 那么推拉力大体会保持不变, 但是由推拉力产生的转矩会随着转角的变化发生变化。当液压缸和摇杆都在同一条直线上时且垂直于水平面P时, 由液压缸产生的负载转矩是零, 因为这个力通过旋转中心。当摇杆转过一定角度后, 在力的方向和摇杆之间会有个释放角, 这样摇杆会获得由垂直于摇杆的组件的力产生的推拉转矩。下面将推导证明推拉转矩和转角在一定的旋转区域内近似线性的关系。
2转角和转矩关系的推导
根据液压缸、摇杆、旋转轴和基座的结构和连接关系, 它们的几何关系示意图如图2所示, 其中△ABC由液压缸的垂直投影、摇杆和它们的支撑件组成。在△ABC中, a是AC的长度 (摇杆) , b是AB的长度。当摇杆转过θ时, BC和AC之间的夹角是β。由余弦定理推导, LBC (液压缸的总长度) 表达式为
根据正弦定律, 在△ABC内可得
如果a=b, LBC和 β 的简化形式可由下式获得:
根据液压缸活塞的受力分析, 液压缸的输出力F可由式 (4) 表达:
式中:P为油提供的压力;Bp为黏滞阻尼系数;M为活塞杆和其他移动部件的总质量;L'BC和L"BC分别为活塞杆的移动速度和加速度。
L'BC的表达式如式 (5) 所示;从式 (5) 能够推导出式 (6) 来表达L"BC:
有效推拉转矩T是F和L的矢积, 即
联立式 (4) ~式 (7) , 可以得到T和 θ 之间的关系:
式 (8) 表示负载转矩由静态转矩Ts和动态转矩Td构成。因为Td远小于Ts, 式 (8) 可以简化为
如果 θ/2 限定在一个很小的范围, 则sin (θ/2) ≈θ/2, 那么式 (9) 能够更加简化为
其中K为转矩梯度。式 (10) 表示负载转矩和旋转角的关系在一定范围内旋转是近似线性的, 并且转矩梯度K由油压、活塞的有效区域和摇杆的长度决定。
负载转矩的线性误差
ET会随着旋转角的增大而变大。例如, 当角度是90°时, ET为10%。
3 结构优化θ
图1所示的电磁换向阀控制液压缸加载进程中, 摇杆的旋转能驱动液压缸一起运动, 这将显著增加驱动器的旋转惯性。因此, 在动力特性测试中, 由于惯性负载的突然增加, 驱动器很容易超程或者振动。为了阻止液压缸的摆动来减少旋转惯性, 液压缸的杆和摇杆不能直接连接, 因此可以改进连接结构解决该问题。在结构被优化后, 液压缸的杆和摇杆通过连杆连接, 设计好安装在液压缸活塞杆的顶部的导轨可以限制液压缸的摆动, 并且用来消除杆承受的横向力。图3为结构优化后的负载原理图。
结构优化后, 负载转矩和旋转角之间的数学关系需要再推导。在图3 所示的△ABC中, 根据正弦定理, 建立等式:
F (液压缸在BC方向的输出力) 和L (F作用点和A点之间的力臂) 可由式 (13) 和式 (14) 表示:
再由式 (12) ~式 (14) 得液压缸产生的有效转矩
在实际应用中, 可以认为和sinx≈x, 因此式 (15) 可以简化为:
式中, K为转矩梯度。在LBC=2a的条件下, 可获得K=
0.5PSa, 并且线性负载误差ET可由式 (17) 表达。例如, 当旋转角为90°, ET为4.5%, 远小于结构未优化之前的值。
4 结语
通过对基于比例减压阀控制油缸的新型的液压比例加载方法的研究可以得出以下结论:1) 简单控制原理和结构的液压比例加载方法能在大范围内为驱动器实验提供近似线性的负载转矩;2) 通过连杆机构的结构优化能消除超程和振动, 对小功率的驱动器具有十分重要的意义。
摘要：推导出伺服驱动液压比例加载系统中负载转矩和旋转角的数学模型, 这种加载原理证明负载转矩和旋转角的关系在一定的旋转角度内为近似线性关系;为了减少旋转惯性, 改善动态性能, 对机构进行优化, 成功地消除了超程和振动。
关键词：液压,伺服驱动,动态性能,结构优化
参考文献
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伺服驱动系统 篇8
1 故障现象
该数控机床为捷克SKODA公司生产的数控200镗床:数控部分经过改造后采用SIEMENS840C系统、外置PLC控制方式;主轴和进给轴采用原SKODA公司配置的直流伺服系统。机床自1998年安装、改造以来一直存在各种故障, 处于半使用半停机的状态, 后来经过对机床控制原理的熟悉, 随着在维护过程中经验的不断积累, 该机床运行也比较正常。偶尔出现故障, 在维修中也有章可循, 较快地解决故障问题。但在这段时间里机床正常使用时, X轴出现了1160#ORDl2Contour monitoring报警。按复位键可以将报警消除, 重新运行X轴, 反复出现同样的报警, 造成机床不能正常运行。
2 故障检查
(1) 从参数上对机床数据进行调试
该报警为NC内部报警, 是由数控系统对进给轴运行过程进行监控所产生的报警。其主要原因有两点:1) 以大于MD3360参数中设定的运行速度, 超过了MD 3320参数中设定的允许公差带;2) 在升速或者制动阶段, 在由伺服增益系数指定的时间内, 轴没有达到规定的速度[1]。考虑到机床运行一段时间, 某些参数或者伺服驱动系统特性会改变, 影响机床正常的速度控制。为了分清数据问题还是机床外部的问题, 对X轴参数NC—MDaxis:monitoring目录下的机床数据中MD3320设定的允许公差带进行调整, 把原来的3 mm调整为5 mm, 开动X轴时把进给比率调到50%运行, 又出现同样的报警。说明故障仍然存在, 恢复原来的数据, 排除了机床数据所引起的问题。
(2) 针对伺服驱动系统的故障, 逐步对控制部分进行检查
对于机床的数控硬件部分, 集成度高, 相对其他控制部分出现的故障机会不大。从进给过程中来分析, 速度控制是由数控中的位置偏差计数器输出经D/A转换后, 输出0~10 V的模拟给定信号给驱动系统, 再由驱动单元对伺服电机进行驱动, 控制电机向消除偏差的方向旋转, 直到偏差为零时, 电机停止运动, 到达指定位置。如果驱动系统存在问题时, 也同样会产生该报警。于是对驱动系统进行了检查, 发现驱动系统中U、V相已经烧断主回路的熔断器。从进给驱动系统分析, 该直流伺服驱动系统采用两组代号为Y1、Y2共12个晶闸管、L1~L4电抗器和各个控制模块组成, 实现反并联可逆有环流调速。各个控制环节都是以模块的形式分开布置, 板后通过软线连接。根据原理图, 由代号为Y6组成的总控制环节主要包括:V-25B模块为速度给定和比较环节、控制调节由Z-17控制、电流环是由V-26A控制、脉冲分配和脉冲输出分别由G-15、G-16模块实现;由代号为Y7模块提供各个控制模块所需要的电源和同步信号。其中K-08检测模块发光二极管亮时, 为系统正常状态指示。
出现熔断器熔断 (熔断器为250 A, 说明系统主回路中瞬时电流大, 而造成主回路电流大的原因主要有:1) 驱动器电源短路;2) 直流伺服电机换向器出现短路;3) 可控硅击穿形成短路;4) 驱动器存在故障[1]。逐项进行检查:电源进线正常, 电机换向器表面也光滑, 各个碳刷也接触良好, 没有短路的痕迹;在可控硅输出端不接电机并且把各个可控硅的阻容吸收器拆开的情况下, 用500 V摇表逐个对可控硅进行测量, 电阻值为40~100 MΩ之间。说明电机、可控硅都没有问题;对于驱动控制模块则采用交换的方法, 把Y轴驱动控制模块按顺序逐块地更换到X轴。于是重新换上相同安培的熔断器, Y轴试运行正常, 说明原来X轴的各个模块没有问题。X轴手动、加工都没有出现问题, 可是没过多久, 又出现了相同报警、熔断器熔断的现象 (这就给我们查找故障和测试带来了一定的困难) , 而且还发现K—08检测模块指示灯不亮了。
(3) 根据控制模块的故障现象, 采用相应的措施对各个信号进行检测
为了避免熔断器再次熔断, 取得在正常运行时, 速度比率为30%时的电流为12 A的情况下, 考虑用断路器来暂时替代熔断器。因为断路器瞬时脱扣电流为额定电流的5~10倍, 选20 A的断路器, 其最大瞬时脱扣电流200 A小于晶闸管的额定电流, 可以起到短路保护作用[2]。经过反复的试车观察, 故障出现了随机性, 而且还有个特点:在运行或起动时会随机产生1160报警, 但断路器没有断开;有时在停止进给时, 不但产生1160报警, 而且断路器断开了。针对K-08检测模块的各个信号, 从板后进行检测如图1。
在系统正常时所测量的各输入端点信号如下:21、25都为15 V;9、17、13都是7.5 V。根据所测量的电压, 再与Z轴K-08检测模块各个信号进行相比较, 电压值完全相同, 这就带来一个疑问:驱动模块都交换试过了, 难道在系统出现故障时检测到某个信号在变化。带着这个问题, 通过反复的观察, 发现在开机启动的过程中, K-08检测模块单元的发光二极管突然灭了, 也就是说控制逻辑电路输出高电平使T2导通, B1继电器动作, 短接了发光二极管。马上对其各个输入端进行检测, 测得9、13端的电压值分别为7.5 V, 而17端的电压值仅为1 V, 约几十秒后又为7.5 V。根据原理图, 17、13端的信号为同步输入检测信号, 为了验证该信号的变化特点, 利用示波器再对17端的波形进行监测, 波形如图2;经过一段时间监测, 发现其波形突变为一直线, 如图3所示, 也就是说17端电压值仅为1V。
3 故障分析
根据以上检查结果, 17端的信号来自Y7模块板, 该模块板固定在同步变压器上, 安装在整个驱动器后面, 所以X轴与Y轴驱动模块交换试车时没有把Y7模块板调换。Y7模块板主要功能为系统提供稳压电源和各相同步电源的信号, 由此看来驱动器主回路的电流大原因:是由于Y7模块中同步控制信号17端电压值过低, 造成同步脉冲信号丢失引起的。为了使到晶闸管在每个周期都在相同的控制角α触发导通, 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压也就是电源同步, 并与电源波形保持固定的相位关系。因为主回路采用反并联可逆有环流调速, 由于两组晶闸管都参于工作, 为了防止在两组晶闸管之间出现直流环流, 当一组晶闸管工作在整流状态时, 另一组工作在待逆变状态。
在调速过程中, 同步信号丢失引起触发脉冲控制逻辑出错, 造成触发脉冲丢失。那么, 在起动或进给时, 晶闸管工作在整流状态, 由于触发脉冲丢失, 使已导通晶闸管会在经过自然换向点自行关断后, 晶闸管输出断续, 形成直流电压、电流减小, 电机速度降低, 引起在升速或者运行阶段, 在由伺服增益系数指定的时间内, X轴在进给过程中没有达到规定的速度, 从而产生1160报警;而在停机时, 晶闸管工作在逆变状态, 电动机运行在发电机状态, 导通的晶闸管始终承受着正向反压, 这时晶闸管触发控制电路必须在适当时刻使导通的晶闸管受到反压而被迫关断。由于触发脉冲的丢失, 使已导通的晶闸管就会因得不到反压而继续导通, 并逐渐进入整流状态, 其输出电压与电动势成顺极性串联, 形成短路, 所以总是把交流侧熔断器烧断。而对于1160报警, 正因为熔断器熔断, 属于缺相运行, 所以产生该报警。
4 故障解决
Y7模块的输入信号是由同步变压器检测到的三相电源信号, 各相分别独立控制, 同步信号经阻容滤波后由MAA741进行放大, MZHl45逻辑反相输出。U相的电路简图如图4所示。
把Y7模块板拆下后, 初步测量各个元件并没有发现什么问题, 该板在使用过程中出现波形不正常, 通电时会产生随机故障。为了进一步判断该模块的故障所在, 采用外供电源独立测试Y7模块的办法:在Y7模块加上±15 V电源, 利用信号发生器在Ui端输入正弦波信号, 再用示波器检测各个点的波形。经过详细的观察, 其中MAA741运算放大器输出端6的波形为正负方波, 但是时间略长一些则变为无方波输出, 而且呈高电平状态。6端输出高电平, U相输出则为低电平。排除了电路中C7电容有可能存在故障后, 在此, 可以确定MAA741运算放大器有问题:由于放大器特性发生了变化或者受到温度的影响, 在输入信号不变的情况下, 其输出电压会突变[2]。最终确定故障所在, 根据原理图中MAA741运算放大器的各个外引线, 通过详细地查《常用电子元件手册》对应把该放大器集成更换为LM741后, 重新对各点进行测试, 输出波形正常, 没有出现突变的现象, 说明故障已经排除。于是装上Y7模块板通电试运行, 再也没有出现1160 ORDl2 Contour monitoring轮廓监控报警, 系统恢复了正常运行。
5 结束语
通过这次对伺服驱动系统典型故障的处理, 给了维护数控设备工作方面一个启示:对故障的处理重点在于诊断。以理论指导实践, 根据不同的故障原因, 利用手中的器件采取相应的措施和办法进行分析和排除, 从而去确定故障所发生的部分, 这样才能进一步解决问题。而在寻找故障过程中的应变和分析能力一方面靠经验的积累, 更重要的是决定于对系统的了解和掌握程度, 这也要求维修人员要不断地进行学习与探索, 从而提高自身的知识和专业水平。
摘要：数控200镗床因为数控系统报警而不能正常工作, 根据报警的提示, 综合分析了故障可能发生的部位, 逐步对控制系统进行检查、排除。最终解决了伺服驱动系统中, 因运算放大器引起的同步脉冲丢失造成的故障, 从而保证了数控机床的正常运行。
关键词：数控机床,伺服驱动系统,监测,同步信号
参考文献
[1]王佩夫.数控机床故障诊断及维护[M].北京:机械工业出版社, 2000.
伺服驱动系统 篇9
目前,仿真技术往往被用于在设计之后进行模拟试验,其实也可用于复杂系统的设计求解。采用PID控制的控制器设计,为兼顾快速性和稳定性,其控制参数较难确定,而且依靠软硬件实现都比较麻烦。由于进给伺服系统趋于数字化,即控制方法采用时间离散型采样控制,控制器可采用差分模型,先找出系统输入输出的一些关系,再用仿真的方法来反求控制器的各系数,这也是一种有效的设计方法。
1 控制器数学模型的建立
建立控制器数学模型,PID控制器的传递函数为:
PID控制器的框图见图1。
u1(n+1)=K1e(n+1) (4)
u2(n+1)=u2(n)+K2e(n+1) (7)
u3(n+1)=K3e(n+1)-K3(n) (10)
u(n+1)=u1(n+1)+u2(n+1)+u3(n+1) (11)
u(n+1)=K1e(n+1)+u2(n)+k2e(n+1)+k3e(n+1)-k3e(n) (12)
上述公式是线性常系数差分方程组,以此作为控制器的数学模型方便计算机控制系统的实现。差分方程控制器D(Z)模型见图2。
2 伺服驱动系统数学模型的建立
根据数控木工加工中心进给速度要求高,而加工精度要求相对低一点的特点,采用半闭环伺服系统和数字控制方式。将伺服进给系统分成机械传动机构和伺服驱动系统。设计要求为进给速度为15 m/min,脉冲当量为0.01 mm。选择电动机:MDDDT5540,额定功率为1kW,最高转速为3 000 r/min,增量编码器为10 000 p/r,丝杠螺距为5 mm。为简化结构,只设位置环,不设速度环。伺服驱动系统框图见图3,
建立数学模型:
交流伺服电动机,增量编码器 G2=10 000 P/5 mm=2 000 P/mm,倍率 G4=1/(2 000×0.01)=0.05。驱动器:一部分为零阶保持器,一部分为限幅器,计数器G3=1。控制器:D(Z)。伺服驱动系统模型见图4,等效变换见图5。
3 伺服驱动系统仿真设计
加入非线性环节的系统进行仿真的方法:分别求取差分方程控制器的差分方程与连续部分的脉冲传递函数的差分方程,在每一个响应时刻分别对两部分进行一次计算,插入非线性环节,连接输入输出,以得到控制器下一时刻的输入。控制器差分方程:
连续部分差分方程:
饱和非线性环节:当u(n)≥50时,x(n)=50;当 - 50 ≤ u(n)≤50 时,x(n)=u(n);当u(n)≤-50时,x(n)=-50。连接方程:e(n)=r(n-1)-y(n-1)。
如果仿真也像神经网络法一样去进行训练是行不通的,一是太多的样本难以获得,二是计算量太大。其实只要找出系统的输入输出在趋于稳定状态时的关系,仿真求出满足关系的一组控制器方程组系数即可。根据系统的稳定性、快速性、准确性要求确定输出响应。伺服驱动系统在v=15 m/min,脉冲当量为0.01 mm,y(t)=1时,稳态时间应在4×10-5之内。时间在0～10-6s,系统加速;时间在10-6～3.5×10-5s,系统匀速,以最高速度运动;时间在3.5×10-5s～3.6×10-5s,系统减速;时间在3.6×10-5s～4.0×10-5s,系统趋于稳定并达到稳态值。系统希望的单位阶跃时间响应曲线见图6,
伺服驱动系统输入最高频率为25 000 Hz,反馈最高频率为50 000 Hz,根据采样定理,取采样频率为106Hz,采样周期T=10-6s。当r(t)=1时,控制y(35),y(36),y(37)和y(38)等的值,通过仿真反求出一组满足条件的系数ABC。仿真程序框图见图7。
仿真结果:A=431 500,B=25 200和C=500,将求得的ABC值带入数学模型,再次仿真,取T=10-6s,n= 100,求解得输出响应见图8。仿真结果:调整时间为4.0×10-5s,输出误差在±0.05之内。换算成进给速度为15 m/min,正好达到设计要求。
4 结论
伺服驱动系统控制器的设计采用差分方程组作模型简单可行,只要将控制器的设计和系统的设计融为一体,建立各部分的差分模型,找出系统输入输出在趋于稳定状态时的关系,仿真求出满足关系的一组控制器差分方程组系数即可,而该模型又方便在数字伺服驱动系统中靠软件实现。
摘要：建立基于差分方程的伺服驱动系统控制器数学模型,将控制器的设计和伺服驱动系统的设计融为一体,建立各部分的差分方程,找出系统输入输出在趋于稳定状态时的关系,仿真反求出满足关系的一组控制器差分方程组系数,探索出了数控木工加工中心伺服驱动系统仿真设计方法。
关键词：伺服驱动系统,差分方程组系数,仿真设计
参考文献
[1]花军.木工机床数控技术[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,1997.
[2]张占宽.木制品数控铣加工技术[M].北京:中国林业出版社,2004.
[3]左健民.机电控制工程基础[M].北京:机械工业出版社,2002.
[4]刘藻珍.系统仿真[M].北京:北京理工大学出版社,1998.
[5]袁成荣,宋飚,施培阔.数控木工加工中心伺服进给系统的设计与仿真[J].林业机械与木工设备,2008,36(3):31-33.
伺服驱动系统 篇10
1 系统原理与组成
原理:PLC发出的指令脉冲数与编码器检测的位置反馈脉冲数同时送入伺服驱动器进行比较并确定偏差,按一定控制规律运算后得到的校正信号作为速度控制器的给定,再经电流调节与功率放大,使电机和机床工作台朝消除偏差的方向运动。由于位置指令是经常变化的随机变量,要求输出量准确跟踪给定量的变化,因此,输出响应的快速性、灵活性、准确性成为位置随动系统的主要性能指标。为满足这些指标要求,采取由位置环、速度环和电流环构成三环控制系统,控制方框图如图1所示,各环节的功能说明如下:
位置环:是位置随动系统的主要结构特征,采用P调节,增益设定愈高,定位时间愈短,获得快速定位响应特性。同时,保证系统的稳态精度。
速度环:转速构成的负反馈内环采用PI调节,通过调整其增益与积分时间常数,抑制振荡,减少超调,提高系统的快速性。
电流环:起电流跟随、过流保护和及时抑制电压扰动的作用;电流环增益随型号而定,不能调节。
此外,还可以建立速度前馈控制与反馈控制相结合的复合控制,以减少速度的超调、失调和到位信号的抖动,使位置偏差接近0,以及设置其他相关参数,降低躁声,抑制谐振等,进一步改善系统稳态和动态品质指标。
2 硬件设计
系统硬件由FX2N—80MT PLC、交流伺服驱动器MSDA043A1A、交流伺服电机MSMA042A1G(400W)及11线增量式编码器(脉冲数2500P/r,分辨率10000)组成。系统硬件构成原理图如图2所示。
PLC:计算并输出指令脉冲。通过运行程序,计算出插补轨迹的指令脉冲数与脉冲频率,确定脉冲方向,再经输出后,作为驱动器的给定信号。
交流伺服驱动器:集成了位置环、速度环、电流环等多种调节控制功能,通过改变参数来实现不同的控制规律;能与PC机通信,进行在线分析调试与动态调整。
伺服电机与编码器分别起执行、检测反馈结果的作用。
3 软件设计与实现
伺服驱动器的输入脉冲信号由PLC程序决定,两轴联动直线插补软件流程如图3所示。
根据伺服电机旋转一圈对应的水平位移和编码器的分辨率确定脉冲当量δ(本系统δ=0.0004/脉冲),然后计算出每一段拟合直线斜率k及分别在x、y轴的增量值所对应的脉冲数,并由斜率k求出x、y轴脉冲输出频率fx、fy,脉冲方向取决于x、y轴增量值的正、负。这样,由x、y轴的脉冲数、输出频率fx、fy和x、y轴增量值的正、负就能使伺服系统按照预先设定的轨迹运动。这种插补具有同步性,即x、y向同时运行与停止,在程序设计上采用浮点算法,因而插补轨迹精确,插补完成时间短,工作效率高。
4 结论
经调试检测,PLC—伺服控制系统结构简单,功能强大,稳定性好,充分发挥了PLC和伺服驱动单元各自的优势,即控制灵活、响应快速、定位精准等特点,满足位置控制的性能要求,具有良好的应用前景。
参考文献
[1]日本松下公司．Panasonic MINAS A系列交流伺服电机驱动器使用说明书[Z]．2002．
[2]廖常初．可编程序控制器的编程方法与工程应用[M]．重庆：重庆大学出版社，2001．
[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，1992．