伺服控制技術

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1、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 生運動和對物體運動進行控制是我們人類最重要的活動之一。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

2、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

3、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 10—12位，精度8—10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，

4、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168KHz 3、 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)

5、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)（

6、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

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

8、 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品，是生產、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。