伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人課件第5章 伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與模式

第五章伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與模式李鑫合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院第五章伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與模式5.1伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)5.2伺服系統(tǒng)的控制模式5.3伺服系統(tǒng)的常見故障及產(chǎn)生的原因5.4伺服系統(tǒng)的常用軟件總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut25.1.1三閉環(huán)結(jié)構(gòu)3伺服控制回路三閉環(huán)控制框圖5.1.2伺服系統(tǒng)的控制器42024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut作為驅(qū)動(dòng)器的給定，伺服系統(tǒng)控制器的輸出主要包含兩種信號給定方式：脈沖輸入和內(nèi)部緩存器輸入。具有方向性的命令脈沖輸入可經(jīng)由外界來的脈沖來操縱電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而緩存器輸入有兩種應(yīng)用方式，第一種為使用者在動(dòng)作前，先將不同位置命令值設(shè)于命令緩存器，再進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃和切換；第二種為利用通訊方式來改變命令緩存器的內(nèi)容值。控制器的選擇包括PLC（可編程邏輯控制器）、PC、運(yùn)動(dòng)控制卡。PLC是專為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分，可以用于給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送給定信號。PC也叫桌面機(jī)，是一種獨(dú)立相分離的計(jì)算機(jī)，主要部件如主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音響一般都是相對獨(dú)立的，一般需要放置在電腦桌或者專門的工作臺上。PC也可以作為控制器的一種，為伺服驅(qū)動(dòng)器提供輸入信號。運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。5.2伺服系統(tǒng)的控制模式52024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut伺服系統(tǒng)一般都有三種控制方式：轉(zhuǎn)矩控制方式、速度控制方式、位置控制方式。如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心，用轉(zhuǎn)矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會(huì)好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高，或者基本沒有實(shí)時(shí)性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對控制信號的響應(yīng)最快；位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對控制信號的響應(yīng)最慢。5.2.1轉(zhuǎn)矩控制模式62024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut轉(zhuǎn)矩控制最內(nèi)的PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。轉(zhuǎn)矩模式基本控制架構(gòu)5.2.2速度控制模式72024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut速度控制模式包含了速度環(huán)和電流環(huán)。電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對速度和位置的相應(yīng)控制。通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。速度模式基本控制架構(gòu)5.2.3位置控制模式82024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)對位置指令的精確跟蹤。被控量一般是負(fù)載的空間位移，當(dāng)給定量隨機(jī)變化時(shí)，系統(tǒng)能使被控量準(zhǔn)確無誤地跟蹤并復(fù)現(xiàn)給定量，給定量可能是角位移或直線位移。所以，位置控制必然是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，組成位置控制回路，即位置環(huán)。它處于系統(tǒng)最外環(huán)，其組成各部分包括位置檢測器、位置控制器、功率變換器、伺服電動(dòng)機(jī)以及速度和電流控制的兩個(gè)內(nèi)環(huán)等。位置模式基本控制架構(gòu)5.2.4位置/速度伺服控制模式92024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut基于位置伺服控制模式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖基于位置速度控制模式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖在某些傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，即需要對某些被控對象實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制，又需要對其它被控對象實(shí)現(xiàn)各種不同的運(yùn)動(dòng)控制功能。單一的伺服控制模式，無論是位置伺服控制或速度伺服控制還是轉(zhuǎn)矩伺服控制，往往都很難實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)對被控對象的高精度位置控制的一個(gè)基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以永磁同步電機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)器為執(zhí)行部件的交流伺服系統(tǒng)具有位置伺服控制、速度伺服控制和轉(zhuǎn)矩伺服控制等多種伺服控制模式，可以很好地實(shí)現(xiàn)對各種被控對象的不同控制要求。5.3伺服系統(tǒng)的常見故障及處理102024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut伺服系統(tǒng)常見的故障可以分為三類：功率電路(逆變器)類故障、硬件類故障、軟件類故障。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器操作面板會(huì)提示錯(cuò)誤代碼，使用時(shí)可根據(jù)錯(cuò)誤代碼查閱伺服驅(qū)動(dòng)器手冊查到故障類型，分析故障發(fā)生的原因、進(jìn)行故障排查并處理。1.功率電路（逆變器）類故障主電路過壓主電路欠壓過電流短路IPM模塊故障制動(dòng)故障5.3伺服系統(tǒng)的常見故障及處理112024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut常見的硬件類故障有過熱異常、電源異常、編碼器斷線、CPU異常、A/D轉(zhuǎn)換異常。2.硬件類故障常見的軟件類故障有超速、偏差、過載等。3.軟件類故障4.其他常見故障風(fēng)扇故障；串行編碼器通信錯(cuò)誤報(bào)警；電池低電壓報(bào)警；工作過程中，振動(dòng)或爬行；運(yùn)動(dòng)失控（飛車）；機(jī)床定位精度或加工精度差；竄動(dòng)；爬行；伺服電機(jī)靜止時(shí)抖動(dòng)或尖叫（高頻振蕩）；伺服電動(dòng)機(jī)開機(jī)后即自動(dòng)旋轉(zhuǎn)；伺服電機(jī)出力不足；啟動(dòng)時(shí)升降軸的位置變化。5.4伺服系統(tǒng)的常用軟件122024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut伺服驅(qū)動(dòng)器帶操作面板的可以監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)并操作，但操作面板功能通常比較小巧操作起來不是特別靈活，通過伺服調(diào)試軟件可以幫助用戶更好的管理伺服驅(qū)動(dòng)器，用來對伺服驅(qū)動(dòng)器在線運(yùn)行調(diào)試、診斷運(yùn)行，也可作為離線數(shù)據(jù)分析的工具。ASDA-Soft

：ASDA-Soft軟件是臺達(dá)電子專為伺服驅(qū)動(dòng)器開發(fā)的調(diào)試軟件，包含示波器監(jiān)控、裝置監(jiān)控、異警監(jiān)控、數(shù)位輸入輸出控制參數(shù)編輯器、自動(dòng)調(diào)機(jī)功能等。lnoDriverShop

：lnoDriverShop是匯川公司伺服驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試軟件，功能包含示波器、參數(shù)管理、慣量辨識、機(jī)械特性分析、運(yùn)動(dòng)JOG、增益調(diào)整等。SINAMICSV-ASISTANT：SINAMICSV-ASISTANT是西門子提供的用于調(diào)試V90伺服的管理軟件，該軟件利用圖形界面與用戶進(jìn)行互動(dòng)，讓伺服機(jī)的監(jiān)控管理提供了便利。SINAMICSV-ASSIATANT調(diào)試軟件基本功能有選擇驅(qū)動(dòng)、設(shè)置參數(shù)、監(jiān)控狀態(tài)、測試電機(jī)、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)及診斷。PANATERM：PANATERM伺服調(diào)試軟件是松下伺服系統(tǒng)專用調(diào)試設(shè)置軟件。PANATERMVer.6.0版本專為松下MINASA6家族／A5家族伺服系統(tǒng)推出，支持32位/64位操作系統(tǒng)，讓用戶可以