伺服控制技術(shù)

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1、伺服控制技術(shù) 伺服控制的定義 伺服控制概念的提法很多，其實(shí)概念的提法并不重要。為滿足某種目的，產(chǎn) 生運(yùn)動(dòng)和對(duì)物體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制是我們?nèi)祟?lèi)最重要的活動(dòng)之一。所謂伺服控制指對(duì) 物體運(yùn)動(dòng)的有效控制，即對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的速度、位置、加速度進(jìn)行控制。這種控制 正在變得隨處可見(jiàn)和越來(lái)越普遍。 伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)有兩項(xiàng)技術(shù)值得注意，一是高密度電機(jī)，采用一種叫“大極電 機(jī)”的設(shè)計(jì)思想。例如六極九槽電機(jī)，定子由九個(gè)獨(dú)立的極構(gòu)成，在每個(gè)極上繞 制集中線圈，然后再將九個(gè)極拼裝起來(lái)，形成九個(gè)槽的電機(jī)鐵芯。由于每個(gè)極是 獨(dú)立繞制和整形，所以即使采用自動(dòng)機(jī)繞，也能保持槽滿率高達(dá) 90%這類(lèi)電機(jī) 制造工藝好，空間利用

2、和體積都達(dá)到了最小化， 故稱(chēng)為高密度電機(jī)。從運(yùn)行原理 上講，這類(lèi)電機(jī)不屬于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電機(jī)，它在三相脈振磁場(chǎng)下工作，因此，它的適 用性、設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行方式都有一定特殊性，例如這類(lèi)電機(jī)不適合方波電流驅(qū)動(dòng)。 電機(jī)界眼光都是一致的，目前，安川、松下、富士、科比、臺(tái)達(dá)等小功率伺服電 動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中均采用高密度電機(jī)設(shè)計(jì)方案，當(dāng)然我們也不例外。 另一類(lèi)是嵌入式磁鋼速率伺服電動(dòng)機(jī)， 它可利用凸極效應(yīng)引起的交、直軸電 感隨位置變化的特點(diǎn)，構(gòu)成真正意義上的、可 *的無(wú)位置傳感器速率伺服電動(dòng)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)。 2、 傳感器 除了各類(lèi)光電編碼器以外，磁編碼器值得關(guān)注。磁編碼器的體積和重量都比 光電編碼器小幾十倍，溫度范圍

3、更寬，幾乎不怕沖擊和振動(dòng)。其工作原理非常簡(jiǎn) 單，它的定子是一顆內(nèi)嵌霍爾磁敏元件和 DSP的芯片，體積可以小到 MSOP-24 封裝，它的轉(zhuǎn)子是一顆兩極磁鋼。它的分辨率 10—12位，精度8—10位。這種 磁編碼器目前已有供應(yīng)。 作為空間應(yīng)用，為了滿足-35 0C — 80 0C環(huán)境要求，幾乎難以采用傳統(tǒng)的 光電編碼器，為此我們自行研制了磁編碼器，分辨率 16位，精度12位。磁編碼 器信號(hào)處理電路共存于驅(qū)動(dòng)控制電路（FPGA）中，形成傳感器與驅(qū)動(dòng)控制電路一體 化。 電流傳感器是伺服控制必不可少的，小功率系統(tǒng)可以采用電阻采樣，一般可 采用霍爾電流傳感器。兩種方法都要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，

4、然后參于數(shù)字 伺服控制。上述A/D轉(zhuǎn)換的輸出形式通常是串行數(shù)字脈沖或脈寬調(diào)制信號(hào)。 美國(guó) IR公司專(zhuān)門(mén)為電阻采樣設(shè)計(jì)了一款電流反饋專(zhuān)用芯片 IR2175。它具有12位分辨 率，600V原副邊耐壓，使用非常方便。為了提高耐壓等級(jí)和有效分辨率，我們 研制出一種極小體積的，基于霍爾磁平衡原理的電流傳感器。它分辨率 12位， 耐壓2500V,脈寬調(diào)制信號(hào)頻率168KHz 3、 伺服單元 2003年美國(guó)IR公司推出單芯片速率伺服控制系統(tǒng)，它內(nèi)部包括：電機(jī)矢量 FOCK制器、電流PI調(diào)節(jié)器、速度PI調(diào)節(jié)器、SVPW調(diào)制器、傳感器接口、SPI 和并行通信接口等。IR公司推出的單芯片速率伺服控制系統(tǒng)

5、的最重要特點(diǎn)是， 允許用戶對(duì)上百種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的和初始化給定。 下圖所示速率伺服控制系統(tǒng)是 我們利用IR公司芯片構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng) 我們?cè)谒欧刂葡到y(tǒng)方面有幾十年的積累，并通過(guò)與美國(guó) IR公司、美國(guó)AD 公司等的合作研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單芯片高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案。 該技術(shù)在一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)了 FOC控制器、電流PI調(diào)節(jié)器、速度PI調(diào)節(jié)器、 位置PID調(diào)節(jié)器、速度前饋控制器、IIR濾波器、SVPW調(diào)制器、梯形速度軌跡 生成器、位置指令處理器、監(jiān)控與保護(hù)環(huán)節(jié)、通訊模塊、寄存器堆等所有伺服控 制模塊，并且在內(nèi)部集成了 CPU可以完成鍵盤(pán)、顯示及外部通訊控制，為真正 的數(shù)字可編程片上系統(tǒng)（

6、SOPC。 由于所有控制算法均用硬件實(shí)現(xiàn)，所以伺服控制器可以達(dá)到相當(dāng)高的性能， 其電流環(huán)與速度環(huán)采樣頻率均可達(dá)到 20kHz,位置環(huán)采樣頻率可達(dá)10kHz以上， 頻率指標(biāo)主要由芯片本身性能限制。 通過(guò)上位機(jī)可以訪問(wèn)所有內(nèi)部寄存器， 能實(shí) 現(xiàn)各種控制目的。所有參數(shù)可以進(jìn)行在線修改，包括開(kāi)關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間、調(diào)節(jié) 器參數(shù)、濾波器參數(shù)等。適應(yīng)于 PMSMIM、BLDCM等不同電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，并兼 容霍爾傳感器、增量式/絕對(duì)式碼盤(pán)、磁編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等各類(lèi)傳感器接口 信號(hào)。可以接收脈沖指令、模擬指令以及數(shù)字指令等各種輸入信號(hào)， 并可通過(guò)上 位機(jī)或控制面板完成所有操作功能。具有控制器識(shí)別碼接口，易于實(shí)

7、現(xiàn)多軸控制。 這種單片控制器大大減少了系統(tǒng)體積， 提高了抗干擾性，加上完善的保護(hù)措 施，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可*性。 4、 伺服組件 伺服組件指：由伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械減速或耦合機(jī)構(gòu)、 伺服控制器、傳感器等 組成的一體化伺服機(jī)構(gòu)。例如：光驅(qū)主軸驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)器人的關(guān)節(jié)、汽車(chē)電動(dòng)助 力機(jī)構(gòu)等等。對(duì)組件的基本要求是：體積小、重量輕（即高密度） ，一體化獨(dú)成 系統(tǒng)，互換性、可復(fù)用性和高可*性等等。伺服組件是我們的重要研究方向。其 中三軸和四軸組件更有特色，這些多軸伺服控制器通常可以由一個(gè) FPG應(yīng)動(dòng)控 制IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，伺服組件中的電磁兼容、熱分析與設(shè)計(jì)非常重要。 5、 微小型CNC加工中心

8、 CNC加工中心是伺服控制技術(shù)的大集成。小型CNC加工中心系統(tǒng)由輕巧型機(jī) 床主體、高密度交流伺服電機(jī)、高精度編碼器、伺服單元和基于 DSP+PC勺數(shù)控 系統(tǒng)五大部分組成，其顯著特點(diǎn)是擁有輕巧的外型，除采用自動(dòng)虛擬刀庫(kù)外，具 有常規(guī)CNC加工中心的功能和性能指標(biāo)。與常規(guī)的CNC加工中心相比，該多軸加 工系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行效率和更低的使用成本，在操作方便性、產(chǎn)品價(jià)格以及功 能重組等許多方面都具有競(jìng)爭(zhēng)力。它是一種能滿足計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、自動(dòng)化作業(yè)、 高精度加工等普遍需求的普及型產(chǎn)品，是生產(chǎn)、教學(xué)、個(gè)人創(chuàng)造和勞動(dòng)的有力助 手。CNC加工中心是伺服控制技術(shù)應(yīng)用的典范。 小型CNC加工中心的XYZ運(yùn)動(dòng)軸的分辨率0.001 （mm）,重復(fù)精度0.01 （mm）, 主軸（速率控制）轉(zhuǎn)速 24000rpm,連動(dòng)軸數(shù)4或5,支持DNC AUTO EDIT等 工作方式，支持G代碼及Mastercam、AutoCAD Pro/E 等加工數(shù)據(jù)。