伺服控制技術

伺服控制技術伺服控制的定義伺服控制概念的提法很多，其實概念的提法并不重要。為滿足某種目的，產(chǎn) 生運動和對物體運動進行控制是我們?nèi)祟愖钪匾幕顒又?。所謂伺服控制指對 物體運動的有效控制，即對物體運動的速度、位置、加速度進行控制。這種控制 正在變得隨處可見和越來越普遍。伺服電動機伺服電動機有兩項技術值得注意，一是高密度電機，采用一種叫“大極電 機”的設計思想。例如六極九槽電機，定子由九個獨立的極構成，在每個極上繞 制集中線圈，然后再將九個極拼裝起來，形成九個槽的電機鐵芯。由于每個極是 獨立繞制和整形，所以即使采用自動機繞，也能保持槽滿率高達90%這類電機制造工藝好，空間利用和體積都達到了最小化， 故稱為高密度電機。從運行原理 上講，這類電機不屬于旋轉磁場電機，它在三相脈振磁場下工作，因此，它的適 用性、設計方法和運行方式都有一定特殊性，例如這類電機不適合方波電流驅動。 電機界眼光都是一致的，目前，安川、松下、富士、科比、臺達等小功率伺服電 動機產(chǎn)品中均采用高密度電機設計方案，當然我們也不例外。另一類是嵌入式磁鋼速率伺服電動機，它可利用凸極效應引起的交、直軸電感隨位置變化的特點，構成真正意義上的、可 *的無位置傳感器速率伺服電動驅 動系統(tǒng)。2、傳感器除了各類光電編碼器以外，磁編碼器值得關注。磁編碼器的體積和重量都比 光電編碼器小幾十倍，溫度范圍更寬，幾乎不怕沖擊和振動。其工作原理非常簡 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，它的轉子是一顆兩極磁鋼。它的分辨率 1012位，精度810位。這種 磁編碼器目前已有供應。作為空間應用，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 器信號處理電路共存于驅動控制電路（FPGA）中，形成傳感器與驅動控制電路一體 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轉換成數(shù)字信號，然后參于數(shù)字 伺服控制。上述A/D轉換的輸出形式通常是串行數(shù)字脈沖或脈寬調制信號。美國IR公司專門為電阻采樣設計了一款電流反饋專用芯片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,脈寬調制信號頻率168KHz3、伺服單元2003年美國IR公司推出單芯片速率伺服控制系統(tǒng)，它內(nèi)部包括：電機矢量 FOCK制器、電流PI調節(jié)器、速度PI調節(jié)器、SVPW調制器、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)的最重要特點是， 允許用戶對上百種參數(shù)進行實時的和初始化給定。 下圖所示速率伺服控制系統(tǒng)是我們利用IR公司芯片構建的應用系統(tǒng)我們在伺服控制系統(tǒng)方面有幾十年的積累，并通過與美國IR公司、美國AD公司等的合作研制出具有自主知識產(chǎn)權的單芯片高精度運動控制系統(tǒng)方案。該技術在一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)了 FOC控制器、電流PI調節(jié)器、速度PI調節(jié)器、 位置PID調節(jié)器、速度前饋控制器、IIR濾波器、SVPW調制器、梯形速度軌跡 生成器、位置指令處理器、監(jiān)控與保護環(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、顯示及外部通訊控制，為真正 的數(shù)字可編程片上系統(tǒng)（SOPC。由于所有控制算法均用硬件實現(xiàn)，所以伺服控制器可以達到相當高的性能， 其電流環(huán)與速度環(huán)采樣頻率均可達到 20kHz,位置環(huán)采樣頻率可達10kHz以上， 頻率指標主要由芯片本身性能限制。 通過上位機可以訪問所有內(nèi)部寄存器， 能實 現(xiàn)各種控制目的。所有參數(shù)可以進行在線修改，包括開關頻率、死區(qū)時間、調節(jié) 器參數(shù)、濾波器參數(shù)等。適應于 PMSMIM、BLDCM等不同電機的驅動控制，并兼 容霍爾傳感器、增量式/絕對式碼盤、磁編碼器、旋轉變壓器等各類傳感器接口 信號?？梢越邮彰}沖指令、模擬指令以及數(shù)字指令等各種輸入信號， 并可通過上 位機或控制面板完成所有操作功能。具有控制器識別碼接口，易于實現(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，加上完善的保護措 施，保證了系統(tǒng)運行的可*性。4、伺服組件伺服組件指：由伺服電動機、機械減速或耦合機構、伺服控制器、傳感器等組成的一體化伺服機構。例如：光驅主軸驅動模塊、機器人的關節(jié)、汽車電動助 力機構等等。對組件的基本要求是：體積小、重量輕（即高密度），一體化獨成系統(tǒng)，互換性、可復用性和高可*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?？梢杂梢粋€FPG應動控制IP核來實現(xiàn)。另外，伺服組件中的電磁兼容、熱分析與設計非常重要。5、微小型CNC加工中心CNC加工中心是伺服控制技術的大集成。小型CNC加工中心系統(tǒng)由輕巧型機 床主體、高密度交流伺服電機、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，其顯著特點是擁有輕巧的外型，除采用自動虛擬刀庫外，具 有常規(guī)CNC加工中心的功能和性能指標。與常規(guī)的CNC加工中心相比，該多軸加 工系統(tǒng)具有更高的運行效率和更低的使用成本，在操作方便性、產(chǎn)品價格以及功 能重組等許多方面都具有競爭力。它是一種能滿足計算機數(shù)字控制、自動化作業(yè)、 高精度加工等普遍需求的普及型產(chǎn)品，是生產(chǎn)、教學、個人創(chuàng)造和勞動的有力助 手。CNC加工中心是伺服控制技術應用的典范。小型CNC加工中心的XYZ運動軸的分辨率0.001 （mm）,重復精度0.01 （mm）, 主軸（速率控制）轉速 24000rpm,連動軸數(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)。