伺服控制

所謂伺服控制指對物體運動的位置、速度及加速度等變化量的有效控制。這種控制已在各領域得到普及。

伺服電動機有兩項技術值得注意，一是高密度電機，採用一種叫“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，然後再將九個極拼裝起來，形成九個槽的電機鐵芯。由於每個極是獨立繞制和整形，所以即使採用自動機繞，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，這類電機不屬於旋轉磁場電機，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，所以這類電機不適合方波電流驅動。

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，構成真正意義上的無位置傳感器速率伺服電動驅動系統。

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几十倍，温度範圍更寬，幾乎不怕衝擊和振動。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。這種磁編碼器已有供應。

作為空間應用，為了滿足-35 0C ─ 80 0C環境要求，幾乎難以採用傳統的光電編碼器，為此我們自行研製了磁編碼器，分辨率16位，精度12位。磁編碼器信號處理電路共存於驅動控制電路(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，小功率系統可以採用電阻採樣，一般可採用 ^[1]  霍爾電流傳感器。兩種方法都要將模擬信號轉換成數字信號，然後參於數字伺服控制。上述A/D轉換的輸出形式通常是串行數字脈衝或脈寬調製信號。

2003年美國IR公司推出單芯片速率伺服控制系統，它內部包括：電機矢量FOC控制器、電流PI調節器、速度PI調節器、SVPWM調製器、傳感器接口、SPI和並行通信接口等。IR公司推出的單芯片速率伺服控制系統的最重要特點是，允許用户對上百種參數進行實時的和初始化給定。該技術在一片FPGA中實現了FOC控制器、電流PI調節器、速度PI調節器、位置PID調節器、速度前饋控制器、IIR濾波器、SVPWM調製器、梯形速度軌跡生成器、位置指令處理器、監控與保護環節、通訊模塊、寄存器堆等所有伺服控制模塊，並且在內部集成了CPU，可以完成鍵盤、顯示及外部通訊控制，為真正的數字可編程片上系統(SOPC)。

由於所有控制算法均用硬件實現，所以伺服控制器可以達到相當高的性能，其電流環與速度環採樣頻率均可達到20kHz，位置環採樣頻率可達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，能實現各種控制目的。所有參數可以進行在線修改，包括開關頻率、死區時間、調節器參數、濾波器參數等。適應於PMSM、IM、BLDCM等不同電機的驅動控制，併兼容霍爾傳感器、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。可以接收脈衝指令、模擬指令以及數字指令等各種輸入信號，並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，易於實現多軸控制。這種單片控制器大大減少了系統體積，提高了抗干擾性，加上完善的保護措施，保證了系統運行的可靠性。

伺服組件指：由伺服電動機、機械減速或耦合機構、 ^[2]  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、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，互換性、可複用性和高可靠性等等。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常可以由一個FPGA運動控制IP核來實現。另外，伺服組件中的電磁兼容、熱分析與設計非常重要。

CNC加工中心是伺服控制技術的大集成。小型CNC加工中心繫統由輕巧型機牀主體、高密度交流伺服電機、高精度編碼器、伺服單元和基於DSP+PC的數控系統五大部分組成，其顯著特點是擁有輕巧的外型，除採用自動虛擬刀庫外，具有常規CNC加工中心的功能和性能指標。與常規的CNC加工中心相比，該多軸加工系統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字控制、自動化作業、高精度加工等普遍需求的普及型產品，是生產、教學、個人創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範。

小型CNC加工中心的XYZ運動軸的分辨率0.001 (mm)，重複精度0.01 (mm)，主軸（速率控制）轉速24000rpm，連動軸數4或5，支持DNC、 AUTO、EDIT等工作方式，支持G代碼及 Mastercam、 AutoCAD、 Pro/E 等加工數據。

一般伺服都有三種控制方式： ^[3]  速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式。

轉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定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低於2.5Nm時電機正轉，外部負載等於2.5Nm時電機不轉，大於2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產生）。可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。

應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨着纏繞半徑的變化而改變。

位置控制模式一般是通過外部輸入的脈衝的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈衝的個數來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由於位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用於定位裝置。應用領域如數控機牀、印刷機械等等。

通過模擬量的輸入或脈衝的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優點在於可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統的定位精度。

如果對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恆轉矩，當然是用轉矩模式。

如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉矩不是很關心，用轉矩模式不太方便，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控制功能，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。

就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快；位置模式運算量最大，驅動器對控制信號的響應最慢。

對運動中的動態性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調整。那麼如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環從驅動器移到控制器上，減少驅動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環也從驅動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這麼幹，而且，這時完全不需要使用伺服電機。

在數控機牀上，伺服調控系統是其不可缺少的一部分。其任務是把數控信息轉化為機牀進給運動，從而實現精準控制。由於數控機牀對產品加工時要求高，所以採用的伺服控制系統十分關鍵。

在數控機牀上使用的伺服控制系統，其優點主要有：精度高，伺服系統的精度是指輸出量能復現輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度；穩定性好，穩定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過程後，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態。直接影響數控加工的精度和表面粗糙度；快速響應，快速響應是伺服系統動態品質的重要指標，它反映了系統的跟蹤精度；調速範圍寬，其調速範圍可達0—30m/min；低速大轉矩，進給座標的伺服控制屬於恆轉矩控制，在整個速度範圍內都要保持這個轉矩，主軸座標的伺服控制在低速時為恆轉矩控制，能提供較大轉矩，在高速時為恆功率控制，具有足夠大的輸出功率。

在機牀進給伺服中採用的主要是 ^[4]  永磁同步交流伺服系統，有三種類型：模擬形式、數字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號，位置控制通常由上位機實現。數字伺服可實現一機多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模擬指令和脈衝指令，各種參數均以數字方式設定，穩定性好。具有較豐富的自診斷、報警功能。軟件伺服是基於微處理器的全數字伺服系統。其將各種控制方式和不同規格、功率的伺服電機的監控程序以軟件實現。使用時可由用户設定代碼與相關的數據即自動進入工作狀態。配有數字接口，改變工作方式、更換電動機規格時，只需重設代碼即可，故也稱萬能伺服。

交流伺服已佔據了機牀進給伺服的主導地位，並隨着新技術的發展而不斷完善，具體體現在三個方面。一是系統功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基於微處理器嵌入式平台技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網絡化製造模式的推廣及現場總線技術的成熟，將使基於網絡的伺服控制成為可能。