多軸運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)器

1、多軸運(yùn)動(dòng)控制器1、運(yùn)動(dòng)控制器概述 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的提高，運(yùn)動(dòng)控制器的出現(xiàn)在某種意義上滿足了新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性的要求，為各種工業(yè)設(shè)備、國(guó)防設(shè)備以及智能醫(yī)療裝置的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研制和改造提供一個(gè)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。整體而言，運(yùn)動(dòng)控制器是一種控制裝置，其核心為中央邏輯控制單元,敏感元件一般為傳感器，控制對(duì)象為電機(jī)或動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元。目前，大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器是一種基于PC機(jī)或工業(yè)PC機(jī)的上位控制單元，多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，在控制過(guò)程中，控制器可以完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等）。一般地，控制器都配有開(kāi)放的函數(shù)庫(kù)供用戶(hù)在D

2、OS或Windows系統(tǒng)平臺(tái)下自行開(kāi)發(fā)，從而構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。 圖1給出典型的PC+運(yùn)動(dòng)控制器組成的開(kāi)放式控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖：一般地，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)行，再通過(guò)伺服電機(jī)上的編碼器反饋信號(hào)返回至運(yùn)動(dòng)控制器，至此，整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的閉環(huán)控制。圖1 典型的Pc+運(yùn)動(dòng)控制器組成的開(kāi)放式控制系統(tǒng)的2、運(yùn)動(dòng)控制器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在20世紀(jì)90年代,國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)相繼推出運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，包括美國(guó)Deltatau公司的PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器，英國(guó)TRIO公司的PCI208多軸運(yùn)動(dòng)控制器以及德國(guó)MOVTEC公司開(kāi)發(fā)的DEC4T運(yùn)動(dòng)控制器等。近年來(lái)

3、，運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類(lèi)產(chǎn)品，已經(jīng)被越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域所接受。目前，由這些發(fā)達(dá)國(guó)家研制的運(yùn)動(dòng)控制器已開(kāi)始在機(jī)器人控制、半導(dǎo)體加工、飛行模擬器等新興行業(yè)得到了很大的應(yīng)用，其在傳統(tǒng)的機(jī)床控制領(lǐng)域所占的市場(chǎng)份額也在不斷的擴(kuò)大。 我國(guó)在運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面相對(duì)滯后，1999年固高科技有限公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器，隨后，國(guó)內(nèi)又有其它幾家公司進(jìn)入該領(lǐng)域，但實(shí)際上，其大多是在國(guó)內(nèi)推廣國(guó)外生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，真正進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)的公司較少。深圳固高、深圳摩信是國(guó)內(nèi)較早（20世紀(jì)90年代晚期）從事獨(dú)立開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器的廠家，推出了一些通用的運(yùn)動(dòng)控制器。如固高的GT系列運(yùn)動(dòng)控制器、摩信

4、的MCT8000系列運(yùn)動(dòng)控制器；長(zhǎng)沙力鼎科技有限公司的MC系列3軸模擬電壓控制/編碼器反饋型運(yùn)動(dòng)控制器，4軸有/無(wú)反饋脈沖輸出型運(yùn)動(dòng)控制器；南京順康數(shù)碼科技有限公司的MC6014A使用了帶插補(bǔ)功能、可以控制4個(gè)電機(jī)的DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片，適用于PC機(jī)ISA總線的線路板；成都步進(jìn)機(jī)電有限公司的MPC01和MPC02系列3軸步進(jìn)或數(shù)字式伺服控制運(yùn)動(dòng)控制器。 目前，我國(guó)作為世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國(guó)家之一，市場(chǎng)上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級(jí)和換代對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的市場(chǎng)需求越來(lái)越大，在這樣的形勢(shì)下,研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高水平、高可靠性的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器，突破發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的國(guó)

5、產(chǎn)化顯得尤為重要。3、運(yùn)動(dòng)控制器分類(lèi) 目前市場(chǎng)上可以看到的運(yùn)動(dòng)控制器依據(jù)不同的原則有不同的分類(lèi)。按照運(yùn)動(dòng)控制器的核心技術(shù)方案，主要有基于模擬電路型、基于微控制單元型、基于可編程邏輯型、基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）型等；按照運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為基于總線的運(yùn)動(dòng)控制器和獨(dú)立應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制器以及混合型的運(yùn)動(dòng)控制器；按照位置控制原理，可以分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種基本的控制方案；按照被控量的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)控制方式，可以分為位置控制、速度和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。 而國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類(lèi)： （1）以單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢，精

6、度不高，成本相對(duì)較低。在一些只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。 （2）以專(zhuān)用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，大多數(shù)工作于開(kāi)環(huán)控制方式，基本滿足于對(duì)單軸的點(diǎn)位控制。但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器不能夠提供連續(xù)插補(bǔ)功能，很難滿足要求。 （3）基于PC總線的以DSP和FPGA為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。近年來(lái)，DSP以其功能強(qiáng)、速度快、編程和開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)，在多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。此類(lèi)控制器即以DSP作為核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，以插卡形式嵌入PC機(jī)，形成“PC+運(yùn)動(dòng)控

7、制器”的模式。功能上，通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。 第一類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器由于其性能的限制，主要應(yīng)用于一些單軸簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。第二類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，占有一定的市場(chǎng)份額，但由于其專(zhuān)用芯片（ASIC）僅能提供運(yùn)動(dòng)控制的基本功能，限制了這種運(yùn)動(dòng)控制器在復(fù)雜條件的使用。第三類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器是目前國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的主流，應(yīng)用也從傳統(tǒng)的機(jī)床數(shù)控?cái)U(kuò)展到了如機(jī)器人控制、激光加工、紡織、電子加工等多個(gè)領(lǐng)域。本課題的研究?jī)?nèi)容即為設(shè)計(jì)出一款適應(yīng)于工業(yè)焊接機(jī)械人的第三類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器。4、運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展趨勢(shì) 隨著控制技術(shù)的快速

8、發(fā)展，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)由于其封閉式結(jié)構(gòu)!控制軟件兼容性差等原因，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。 目前而言，新型的運(yùn)動(dòng)控制器有以下幾個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)： 現(xiàn)階段，新型數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化的要求促使了現(xiàn)代控制系統(tǒng)中開(kāi)放性體系概念的提出。所謂開(kāi)放性體系即系統(tǒng)應(yīng)具備使不同應(yīng)用程序能很好地運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的不同平臺(tái)之上的能力，不同應(yīng)用程序之間能夠相互操作的能力和一致的用戶(hù)交互風(fēng)格。新型運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)該以開(kāi)放化為目標(biāo)，能夠方便地與機(jī)床、機(jī)器人等被控設(shè)備聯(lián)接，硬件上能夠?qū)崿F(xiàn)一到多個(gè)坐標(biāo)軸位置、速度和軌跡伺服控制，軟件上具有完善的軌跡插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和伺服控制。 其次,新型運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)該在結(jié)構(gòu)上應(yīng)形成模塊

9、化，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化，可以通過(guò)積木方式進(jìn)行方便的相互組合，以建立適用于不同場(chǎng)合、不同功能需求控制系統(tǒng)，為各種工業(yè)設(shè)備、國(guó)防設(shè)備以及智能醫(yī)療裝置的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研制和改造提供一個(gè)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。 最后，新型的運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)該緊跟計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)功能的強(qiáng)大，利用運(yùn)動(dòng)控制卡和PC機(jī)相結(jié)合，或者將PC系統(tǒng)直接嵌入運(yùn)動(dòng)控制卡中已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。驅(qū)動(dòng)器1、直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)器 直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào) 速范圍寬，低速性能好（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流?。?，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用 場(chǎng)合從工業(yè)到民用（如家電、汽車(chē)

10、等）場(chǎng)合極其廣泛。但是由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)<>功率因 數(shù)高，又無(wú)轉(zhuǎn)子損耗所以效率很高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?lài)?yán)格與電源頻率保持同步，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)用永久磁鐵產(chǎn)生。目前這種電機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)以及新一代家用電器的變速驅(qū)動(dòng)中，由于變頻調(diào)速方法具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，因此應(yīng)用前景十分看好。 目前無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)無(wú)大的差別，由于 電子換相電路的成本高于機(jī)械換向器，因而使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的成本及售價(jià)增加， 從而限制了它的應(yīng)用。特別是當(dāng)前直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已擴(kuò)展到民用產(chǎn)品的領(lǐng)域，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的價(jià)格是限制其應(yīng)用的主要因素。1.1直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)

11、點(diǎn)電機(jī)可以無(wú)級(jí)調(diào)速，工作轉(zhuǎn)速范圍很大，可滿足各種運(yùn)行模式下的轉(zhuǎn)速要求。由于采用DSP 芯片將驅(qū)動(dòng)器及控制器集成于一體，用戶(hù)可方便地在驅(qū)動(dòng)器上編程， 從而實(shí)現(xiàn)各種變速甚至定位動(dòng)作。 無(wú)刷直流電機(jī)可以工作在超低轉(zhuǎn)速，這一點(diǎn)超越了交流變頻器的性能，所以新 型無(wú)刷直流電機(jī)完全可以取代小功率交流變頻器。 無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)力矩大，幾乎不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。 無(wú)刷直流電機(jī)比交流變頻系統(tǒng)效率還要高。 無(wú)刷直流電機(jī)溫升較低，與同功率交流電機(jī)相比溫升可低 30%左右，因而其壽命要大大高于交流電機(jī)。 無(wú)刷直流電機(jī)噪音較低。 1.2直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器一般采用電壓源型脈寬調(diào)制(

12、PWM)交-直-交變頻器。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響:諧波造成電機(jī)發(fā)熱，能耗增加，引起電磁和機(jī)械噪聲。二要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)。這兩方面， 對(duì)于在量大面廣的家用電器中的應(yīng)用尤為重要，它直接關(guān)系到能量的節(jié)省、噪音對(duì)環(huán)境的 影響和對(duì)電網(wǎng)的污染。由高開(kāi)關(guān)頻率自關(guān)斷器件組成的 PWM 交直交變頻器再加上合理的 控制可以達(dá)到較高的性能。2、交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)器2.1交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)（1）無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。（2）定子繞組散熱比較方便。（3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。（4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。2.2交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

13、器 交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元及相應(yīng)的反饋檢測(cè)器件組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動(dòng)器其集先進(jìn)的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所不可比擬的。 目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路

14、，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。 伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動(dòng)板）是強(qiáng)電部，分其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開(kāi)關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。 控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制核心也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^(guò)相應(yīng)的算法輸出PWM信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 1、 直流伺服技術(shù) 伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過(guò)程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類(lèi)型分為直流（DC）伺

15、服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50年代，無(wú)刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的時(shí)代。2、 交流伺服技術(shù) 從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù)交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。 交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型來(lái)分，主要有兩大類(lèi):永磁同步（SM型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。

16、其中，永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造容易，價(jià)格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來(lái)伺服技術(shù)的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)控制比較復(fù)雜，而且電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低，發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問(wèn)題，目前并未得到普遍應(yīng)用。 系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異

17、步電動(dòng)機(jī)，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應(yīng)速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于IPM的安全工作。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機(jī)控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個(gè)交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動(dòng)機(jī)三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電流跟隨性能好以及限制電動(dòng)機(jī)起制動(dòng)電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。3、 交

18、直流伺服技術(shù)的比較 直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場(chǎng)合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來(lái)的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過(guò)負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化（FA）等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 從伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來(lái)看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場(chǎng)占有率逐步擴(kuò)大。在實(shí)際應(yīng)用中，精度更高、速度

19、更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。4、伺服控制算法  工業(yè)控制中常用的方法是PID調(diào)節(jié)器，盡管隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型控制算法，如自適應(yīng)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)、智能控制等。從理論分析，許多控制策略都能實(shí)現(xiàn)良好的電機(jī)動(dòng)靜態(tài)特性，但是由于算法本身的復(fù)雜性，而且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識(shí)比較麻煩，因此，在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)困難，對(duì)于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于算法簡(jiǎn)單，參數(shù)易于整定，具有較強(qiáng)的魯棒性，而且適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，這些特點(diǎn)使PID控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)中的控制對(duì)象而言并不復(fù)雜，用PID調(diào)節(jié)器更易實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。4.1 位置環(huán)PID

20、控制算法    在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，引入積分環(huán)節(jié)的目的是為了消除靜差，提高精度，但在過(guò)程的開(kāi)始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對(duì)于伺服電機(jī)的運(yùn)行來(lái)說(shuō)是不利的。為減小電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中積分校正對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，采用積分分離PID控制正當(dāng)其時(shí)，當(dāng)電機(jī)的實(shí)階位置與期望位置的誤差小于一定位值時(shí)，再恢復(fù)積分校正環(huán)節(jié)，以便消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。    積分分離PID控制算法需設(shè)定積分分離閥，當(dāng)|e（k）|時(shí)，即偏差值較大時(shí)，采用PD控制，減少超調(diào)量，使系統(tǒng)有較快響應(yīng)；當(dāng)|e（k）|時(shí)，即偏差值比較小時(shí)，采用PID控制，以保證伺服電機(jī)位置控制精度。    離散化PID控制算式為：    其中，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2；Kp、Ki、Kd分別表示比例、積分、微分系數(shù)。在實(shí)際中，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量，根據(jù)遞堆原理可得增量式PID控制算式為：4.2 位置環(huán)控制算法流程圖2所示為控制算法流程圖。4.3 控制系統(tǒng)參數(shù)的整定    主控微機(jī)向控制卡發(fā)送PID參數(shù)，看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求，該過(guò)程需用參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)。參數(shù)整定的主要任務(wù)是確定Kp