伺服系统与工业机器人课件第5章 伺服系统的控制结构与模式

第五章伺服系统的控制结构与模式李鑫合肥工业大学电气与自动化工程学院第五章伺服系统的控制结构与模式5.1伺服系统的控制结构5.2伺服系统的控制模式5.3伺服系统的常见故障及产生的原因5.4伺服系统的常用软件总结2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut25.1.1三闭环结构3伺服控制回路三闭环控制框图5.1.2伺服系统的控制器42024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut作为驱动器的给定，伺服系统控制器的输出主要包含两种信号给定方式：脉冲输入和内部缓存器输入。具有方向性的命令脉冲输入可经由外界来的脉冲来操纵电机的转动角度，而缓存器输入有两种应用方式，第一种为使用者在动作前，先将不同位置命令值设于命令缓存器，再进行相关规划和切换；第二种为利用通讯方式来改变命令缓存器的内容值。控制器的选择包括PLC（可编程逻辑控制器）、PC、运动控制卡。PLC是专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分，可以用于给伺服驱动器发送给定信号。PC也叫桌面机，是一种独立相分离的计算机，主要部件如主机、显示器、键盘、鼠标、音响一般都是相对独立的，一般需要放置在电脑桌或者专门的工作台上。PC也可以作为控制器的一种，为伺服驱动器提供输入信号。运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。5.2伺服系统的控制模式52024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut伺服系统一般都有三种控制方式：转矩控制方式、速度控制方式、位置控制方式。如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。5.2.1转矩控制模式62024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut转矩控制最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。转矩模式基本控制架构5.2.2速度控制模式72024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut速度控制模式包含了速度环和电流环。电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。速度模式基本控制架构5.2.3位置控制模式82024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut位置控制的根本任务就是使执行机构对位置指令的精确跟踪。被控量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误地跟踪并复现给定量，给定量可能是角位移或直线位移。所以，位置控制必然是一个反馈控制系统，组成位置控制回路，即位置环。它处于系统最外环，其组成各部分包括位置检测器、位置控制器、功率变换器、伺服电动机以及速度和电流控制的两个内环等。位置模式基本控制架构5.2.4位置/速度伺服控制模式92024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut基于位置伺服控制模式的运动控制系统框图基于位置速度控制模式的运动控制系统框图在某些传动领域内，即需要对某些被控对象实现高精度的位置控制，又需要对其它被控对象实现各种不同的运动控制功能。单一的伺服控制模式，无论是位置伺服控制或速度伺服控制还是转矩伺服控制，往往都很难实现。实现对被控对象的高精度位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。以永磁同步电机及其伺服驱动器为执行部件的交流伺服系统具有位置伺服控制、速度伺服控制和转矩伺服控制等多种伺服控制模式，可以很好地实现对各种被控对象的不同控制要求。5.3伺服系统的常见故障及处理102024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut伺服系统常见的故障可以分为三类：功率电路(逆变器)类故障、硬件类故障、软件类故障。当发生故障时伺服驱动器操作面板会提示错误代码，使用时可根据错误代码查阅伺服驱动器手册查到故障类型，分析故障发生的原因、进行故障排查并处理。1.功率电路（逆变器）类故障主电路过压主电路欠压过电流短路IPM模块故障制动故障5.3伺服系统的常见故障及处理112024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut常见的硬件类故障有过热异常、电源异常、编码器断线、CPU异常、A/D转换异常。2.硬件类故障常见的软件类故障有超速、偏差、过载等。3.软件类故障4.其他常见故障风扇故障；串行编码器通信错误报警；电池低电压报警；工作过程中，振动或爬行；运动失控（飞车）；机床定位精度或加工精度差；窜动；爬行；伺服电机静止时抖动或尖叫（高频振荡）；伺服电动机开机后即自动旋转；伺服电机出力不足；启动时升降轴的位置变化。5.4伺服系统的常用软件122024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut伺服驱动器带操作面板的可以监控、设置参数并操作，但操作面板功能通常比较小巧操作起来不是特别灵活，通过伺服调试软件可以帮助用户更好的管理伺服驱动器，用来对伺服驱动器在线运行调试、诊断运行，也可作为离线数据分析的工具。ASDA-Soft

：ASDA-Soft软件是台达电子专为伺服驱动器开发的调试软件，包含示波器监控、装置监控、异警监控、数位输入输出控制参数编辑器、自动调机功能等。lnoDriverShop

：lnoDriverShop是汇川公司伺服驱动器的调试软件，功能包含示波器、参数管理、惯量辨识、机械特性分析、运动JOG、增益调整等。SINAMICSV-ASISTANT：SINAMICSV-ASISTANT是西门子提供的用于调试V90伺服的管理软件，该软件利用图形界面与用户进行互动，让伺服机的监控管理提供了便利。SINAMICSV-ASSIATANT调试软件基本功能有选择驱动、设置参数、监控状态、测试电机、优化驱动及诊断。PANATERM：PANATERM伺服调试软件是松下伺服系统专用调试设置软件。PANATERMVer.6.0版本专为松下MINASA6家族／A5家族伺服系统推出，支持32位/64位操作系统，让用户可以