伺服驱动系统工作原理

过程很简单。 首先伺服驱动系统要接收指令； 然后，伺服装置根据用户选择的工作模式（通 常有力矩、速度、位置三种），执行不同的运 算及控制； 此外，伺服装置能跟其它设备接口，根据外界 的环境进行启停、状态切换及保护等。
工作原理



伺服驱动系统的关键之处之一是设计一个稳定 可靠的硬件平台； 其二是设计适合的控制器，达到快速、平稳、 准确的响应。 控制器设计完以后，需要进行参数整定。对于 采用PID控制率的控制器，主要需要进行PID 参数的合理设置，还需要根据电流、速度等物 理量的额定值对反馈的调整系数进行合理设置。
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PID即比例、积分、微分控制器； 比例P的作用是对误差进行放大，加快响应速 度； 积分的作用是提高系统型别，消除静态误差； 微分的作用是增加阻尼，提高系统的稳定性， 但它对干扰很敏感，很容易带来干扰。
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稳态误差 控制系统型别
设开环传递函数为：

v=0称为0型系统，v=1称为Ⅰ型系统，v=2称为Ⅱ型系统。
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PID参数整定的一般方法是先整定P参数，再 整定I参数，最后整定D参数； 控制器参数整定一般是先整定内环参数，再整 定外环参数。 伺服驱动系统都留有用户进行参数整定，反馈 系数调整等接口，方便用户根据不同应用场合 进行配置。
That’s all. Thank you!
谢谢！
e(t)
校正
G (s)
u(t)
y(t)
H (s)
为了能快速准确的响应，控 制环都设计成闭环，即反馈控制 环，如上图所示，G(s)为被控对 象的模型函数，H(s)为反馈通道 的传递函数。r(t)输入，u(t)是输 出。
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随着微电子技术、电力电子技术，嵌入式 计算技术的进步，现代的伺服系统大多设 计为数字伺服系统。 数字伺服系统需要硬件和软件配合来完成 伺服系统的所需的功能。 硬件是伺服系统的骨架，软件是伺服系统 的灵魂，通常，硬件是给伺服系统实现功 能提供了条件，软件实现具体的算法。
10
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上图对应的阶跃响应图
1 0.9 0.8
Response Magnitude
Step Response
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time (Sec) 0.3 0.35 0.4
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从前面的讨论可以看出，伺服驱动系统的工作
主要功能
编码器接口：为了便于和编码器的连接，一些
伺服驱动器具有编码器接口功能。 旋转变压器接口：一些伺服驱动器的使用条件 比较恶劣，要求采用旋转变压器作为速度或位 置反馈部件，此时，需要具有旋转变压器接口 功能。
组成——以我们的伺服为例

伺服驱动系统由机械及电子两部分组成。 机械部分是指其外壳、底板、支撑件及连接件 等。 电子部分包括硬件及软件。 硬件通常由控制处理电路、信号驱动电路、功 率驱动电路、检测、保护及主电路等组成。 伺服系统的所有功能都是软件配合硬件一起完 成的。
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右图是一 个典型的 伺服驱动 系统硬件 原理框图。
R S T
整流滤 波电路
IGBT/IPM
Motor
隔离及驱动电路 电流检测 通讯接 口 MCU
速度/位置 检测
ia
CPLD
ib
保护电路
电源
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伺服驱动系统是典型的反馈控制系统，它遵循 反馈控制系统的一般规律。 下图是一个典型的反馈控制系统。 r(t)为给定量，y(t)为反馈量，e(t)为误差信号， u(t)为输出量，G(s)为被控对象的S模型，H(s) 为反馈滤波器的传递函数。
地址编码 数字IO
485接口
LED指示灯
复位按钮
接口说明
地址编码：从左到右是 高位到低位，能表示015个地址码。
数字IO：从左到右 分别是OSD00和 24V地。
接口说明
数字IO：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出，空位， 模拟指令- ，模拟指令+，数字输出信号OSD01 ，电机报警信号 MOTORALARM，伺服就绪信号SVREADY，数字输入ISD00，ISD01， START ，ENP0。
24V电源 输入，上 +下-。
CAN接口：从左到右分别为CAN-，CAN+，模拟地。 RS232接口：从左到右分别为机壳地，模拟地，232TX，232RX。 旋变接口：从左到右分别为EXC+，EXC-，SIN+，SIN-，COS+， COS-，模拟地，+5V输出。
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直流伺服的依据
u
R L
等效电路如右所示，直 流电机的电压平衡公式 如右所示，R为电机绕 组等效电阻，L为电机绕 组等效电感，e为感应电 动势。
Motor
u Ri L
di e dt
当电压平衡时，又由于电阻比较小，u≈e。e跟电机本身有关，当电机选 定后，和转速成正比，所以，控制电压就相当于控制了转速。因此，调速 的依据是改变加在电机绕组上的电压。
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直流伺服的依据
r(t)
-
根据物理学的知识，我们 知道，位移是速度的积分，速 度是加速度的积分，为了达到 快速、精确的位置控制的目的， 控制器对速度和加速度都要快 速准确的响应。加速度和转矩 成正比，而转矩又正比于电流， 所以，我们要设计三个控制环， 分别对电流、速度和位置进行 控制。三个环的其中部分环或 全部参与控制，构成了伺服驱 动器的几种工作模式。
伺服驱动系统工作原理
阜特科技内部讲义 讲师：谭勇
内容
基本概念 组成部分 工作原理
定义
“伺服”一词源于
希腊语“奴隶(SERVO)”的意思 。 伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出， 能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化 的自动控制系统。 伺服是指装置跟随指令的能力，驱动是指它能通 过功率器件驱动电动机运转，所以，很多时候有 伺服驱动器、伺服驱动系统的说法。
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例1：校正前后频率响应曲线对比
Bode Diagram 40
Magnitude (dB)
20 0 -20 -40 0 10 0
1 2 3 4 5
10
10
10
10
10
Frequenct (Radian)
Phase (degrees)
-50
-100 0 10
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
接口说明
485接口：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出， 机壳地，模拟地，485B，485A。
接口说明
LED指示灯：由红黄绿三种颜色的指 示灯的各种组合来指示伺服系统运行 中的状态，详细的说明见产品使用说 明书。
接口说明
24V 电源 输入
CAN接口
RS232接口
旋变接口
接口说明
外形图
外形图
接口说明
L1
L2
L3
PE
三相交流电源输入口（线电压275V±10%）L1 - L2 - L3，机壳地PE；
接口说明
U V

W RB+ RB- ZK+ ZK- PE
功率输出接口U,V,W；泄放电阻接口RB+,RB-； 吸收电容接口ZK+,ZK-；机壳地PE；
接口说明
PT100
Magnitude (dB)
Bode ຫໍສະໝຸດ Baiduiagram
0 -50 -100 -150 -2 10 0
-1 0 1 2 3 4
10
10
10
10
10
10
Frequenct (Radian)
Phase (degrees)
-50 -100 -150 -200 -2 10
-1 0 1 2 3 4
10
10
10
主要功能
采样：对指令、电流、速度、温度等模拟信号 进行采样，以便微处理单元（MCU）能对它 进行计算处理。 计算：对模拟信号进行滤波处理；根据接收的 数字信号、模拟采样结果等，进行变换、计算 及处理，得到输出信号，用于功率驱动。
主要功能
驱动控制：按照控制命令要求，对信号进行变 换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出 的力矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。 通讯功能：通常有RS485、CAN、数字IO、 模拟IO等接口功能，使其能和其它控制设备进 行信息交换。
θref
APR
nref
-
ASR
Iref
-
ACR
U
1 Rs Ls
I
1 ωr J z s 1
1 is
θ
Ki Kv
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设计伺服驱动系统的关键任务之一，是要设计 合适的控制器（调节器）； 通常控制器设计为PID控制器，因为PID控制 器适应面广，不需要被控对象精确的数学模型， 参数容易整定，能解决过程控制中的大多数问 题。
r(t)
-
e(t)
校正
G (s)
u(t)
y(t)
H (s)
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伺服驱动系统通常设计成三闭环控制器，三闭 环是指电流环、速度环和位置环。 设计成三闭环是为了达到能动态响应的目的， 电流环能快速跟踪电流指令，速度环快速跟随 速度指令，位置环对执行机构进行精确的定位。
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下图为伺服驱动系统的三闭环控制原理框图； 控制器包含ACR、ASR、APR三个控制环； 外环的输出作为内环的输入； 可以达到快速响应电流、速度和位置的目的。
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上图对应的阶跃响应图
1 0.9 0.8
Response Magnitude
Step Response
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Time (Sec) 0.1 0.12
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例2：校正前后频率响应曲线对比
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