一．复习（10＇） ABS系统具有的故障自诊断功能 二教学过程（60＇） 一、概述 牵引力控制系统(TRC)也称为驱动力控制系统(TCS)或驱动防滑转控制系统(ASR)。 系统作用： (1)在驱动过程中防止驱动车轮发生滑转， (2)并在起步和加速时，根据路面情况给出一个最佳的驱动力。 (3)在湿滑路面上起步、加速或转向时，能提高车辆的稳定性。 TCS和ABS系统的关系： (1)从控制车轮和路面的滑移率来看，采用了相同的技术， (2)但两者所控制的车轮滑移方向是相反的。 (3)TCS系统与ABS系统常合在一起使用，构成行驶安全系统。 (4)TCS和ABS共用许多电子元件，用共同的系统部件来控制车轮的运动。 1．TCS的控制作用 汽车在冰雪路面上急加速或超车时，ASR的控制效果是很明显的。 在均匀的结冰路面上、压实的雪路和深雪路面上使用TCS和不用TCS装置的驱动力的比较， 在左右轮附着系数不同的路面上，使用TCS和不使用TCS装置的汽车加速性比较的结果。 2．滑转率的控制范围 所谓的汽车打“滑”，有两种情况： 一是汽车制动时车轮的滑移，ABS是防止制动时车轮抱死而滑移；
二是汽车驱动时车轮的滑转。TCS防止驱动车轮原地不动而不停地滑转。 驱动轮滑转：当汽车起步时，驱动轮不停地转动，汽车却原地不动。 TCS与ABC起作用时，二者的制动力与驱动力正好相反， TRC防止驱动时车轮滑转的方法： 适当地控制驱动力，是TCS的作用。 将滑转率Vd控制在10％—30％范围之内，防滑效果较为理想。 3．牵引力控制装置的控制方式 1)发动机输出扭矩控制 发动机输出转矩改变：汽油机根据燃料喷射量、点火时间、节气门开度调整。 2)驱动轮制动控制 这种方法是对发生空转的驱动轮直接加以制动，反应时间最短。为使制动过程平稳，应缓慢升高制动压力。 制动控制方式的ASR的液压系统可分为两大类。
交流伺服控制系统的三种控制方式 交流伺服控制器主要由速度控制器、电流控制器和PWM生成电路组成。控制方式上交流伺服控制用脉冲串和方向信号实现。交流伺服控制系统有三种控制方式：速度控制、转矩控制和位置控制。 1.速度控制 速度控制方式主要以模拟量来控制。如果对位置和速度有一定的精度要求，用速度或位置模式较好;如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，则可选用速度控制。根据电动机的类型，调速控制系统也分不同类型，如异步电动机的变频调速和同步电动机的变频调速’异步电动机的变频调速分为笼型异步电动机的变频调速和PWM型变频调速。下面以PWM型变频调速为例来详细说明交流伺服控制原理。 图4-27给出了PWM调速系统示意图，主电路由不可控整流器UR、平波电容器C 和逆变器UI构成。逆变器输入为固定不变的直流电压%’通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和频率来实现调压和调频’同时减小三相电流波形畸变的输出。这种形式主电路特点如下。 ①由于主要电路只有一个功率控制级UI,因而结构简单。 ②由于使用了不可控整流桥，因而电网功率因数跟逆变器的输出大小无关。 ③逆变器在调频时实现调压，与中间直流环节的元件参数无关，从而加快了系统的动态响应。实际的变频调速系统一般都需要加上完善的保护以确保系统安全运行。 2.位置控制
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，但必须把电动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，电动机轴端的编码器只检测电动机转速。由于位置模式对速度和位置都有很严格的控制，因而其主要应用于定位装置，如数控机床、印刷机械等。 3.转矩控制 转矩控制方式实际上就是通过外部模拟量的输入或直接的地址賦值来设定电动机轴输出转矩。例如10V对应5N ? m的话，当外部模拟量设定为5V时，电动机轴输出为2.5N ? m.如果电动机轴负载低于2.5N.m时电动机正转，外部负载等于2.5N ? m时电动机不转，大于2.5N*m时电动机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时改变模拟量的设定来改变设定力矩大小，也可通过通信方式改变对应的地址的数值来实现。转矩控制主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备。
1.SA系列交流伺服简介 SA系列数字式交流永磁同步电机伺服驱动器（以下简称伺服驱动器）采用了国际上先进的DSP 芯片（数字信号处理器）对电机的位置、转速、转矩进行数字化智能控制。该伺服驱动器不仅可靠性高、性能优异，而且可以通过设定用户参数，对系统进行任意组态。例如：可以组成位置控制系统、速度控制系统、转矩控制系统等。 1.1SA系列交流伺服的使用方法 1.1.1 速度控制方式 速度控制方式的伺服驱动器标准使用方法，如下图所示： 如上图所示，在上位机侧组成位置控制环。在上位机中，进行位置指令和位置反馈的比较操作，即进行位置环调节的计算，输出模拟速度指令给伺服驱动器。 伺服驱动器接收上位机的模拟速度指令，进行速度环控制。 在这种控制方式下，上位机的位置反馈可以是伺服驱动器输出的电机编码器信号，也可以是安装在机械上的直线位置测量信号（例如光栅尺、磁栅尺、感应同步器等），即可以组成位置全闭环系统。 1.1.2 位置控制方式 位置控制方式的伺服驱动器标准使用方法，如下图所示： 1
上位机进行完定位及插补计算后，将位置指令以脉冲串的形式传送给伺服驱动器，由伺服驱动器进行位置指令和位置反馈的比较操作，即进行位置环调节的计算。这种形式的伺服驱动器包含了位置控制环。 作为位置指令的脉冲串，可以是下面的任一种，在伺服驱动器侧可以通过设定用户常数进行选择： 1）符号位＋脉冲列 2）具有90°相位差的两相脉冲序列 3）正转脉冲序列+ 反转脉冲序列 1.2 SA系列交流伺服驱动器的内置功能 SA系列伺服控制器的内置功能说明如下： 1）控制方式转换 通过数字操作器设定用户常数，可以使伺服驱动器工作于位置控制方式或速度控制方式。为了防止误操作，在伺服电机运行时（伺服使能状态），不能改变控制方式。2）再生能量处理功能 伺服驱动器内置再生能量处理电路和再生制动电阻。当伺服电机起制动频繁或负载惯量过大时，则必须使用外置再生制动电阻。 3）能耗制动功能 在伺服驱动器断电、伺服驱动器故障时，电机处于不受控状态。能耗制动功能可以使电机处于能耗制动状态，使电机马上停止，避免机械部件受损。 4）双电子齿轮功能 为满足机械加工的需要，伺服驱动器内置有双电子齿轮功能，即通过外部触点信号来切换第一电子齿轮比和第二电子齿轮比。 5）位置信号输出功能 伺服驱动器将光电编码器信号经长线驱动器输出，可以用作上位机的位置反馈信号。 6）内部速度指令功能 伺服驱动器可以通过外部接点选择内部预置的四种速度。
驱动力控制系统TCS （又称TRC防滑控制系统TRAC循迹控制系统） 第一节概述 一、TCS的作用 在摩擦力限度内自动调节汽车的驱动力，避免车轮打滑、轮胎磨损，使车辆能正常行驶及维持转向的稳定性和操控性。 汽车行驶时，轮胎会受到两个力，即加速时的驱动力和转向时的向心力，两力之和称为轮胎力。 汽车的驱动力超过摩擦力的限度时轮胎因打滑的关系，将无法有效的将驱动力传至路面，使车辆无法操纵而发生不安全。 二、ABS与TCS的区别 1、ABS是在制动时防止车轮抱死，以免发生滑行现象，而TCS 是在湿滑起步或加速时防止驱动轮打滑或在摩擦系数相差很大的非对称路面防止单侧驱动轮打滑。 2、ABS对驱动轮和非驱动轮都可以控制，而TCS则只控制驱动轮 3、ABS控制期间，各车轮之间的影响不大，而TCS控制期间由于差速器的作用，会使驱动车轮之间产生相互影响 三、TCS的控制方式 1、控制发动机 控制燃油喷射量、节气门开度或点火的时间 2、控制制动（驱动轮）
与ABS调节器共用或另设调节器 3、发动机与制动力同时控制 四、TCS的控制范围 控制范围：滑移率0-35%（B范围） 1、以A范围为目标，可发挥最大的驱动力，但轮胎的向心力不足，转向控制性能变差，若以向心力最大为优先条件，则无法获得有效的见加速力。 2、为兼顾驱动力和向心力，以B范围为控制目标，以路面状况、转向盘转角、车身倾斜度等为据，由TCS ECU计算出最小滑移率目标值，由100%至100%向心力作最佳的调配，使车辆在安全状态下充分发挥其操作性与运动性。 五、TCS系统的控制对象 1、起步加速控制 当驾驶员在光滑路面上过多踩油门时，会造成车轮的滑转。驱动控制系统通过自动施加部分制动或减少发动机输出功率的方式，
伺服系统的发展及展望 摘要：本文主要介绍了伺服系统的三个发展阶段，包括步进电动机开环伺服系统阶段、直流伺服电动机闭环伺服系统阶段、无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统阶段，并分析了伺服系统的发展趋势：交流化、智能化、网络化、小型化。 关键词：伺服；智能化；小型化 伺服系统也叫位置随动系统，它的根本任务是实现执行机械对位置指令（给定量）的准确跟踪，当给定量随机变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量，是一个位置反馈控制系统[1]，主要包括电机和驱动器两部分，广泛用于航空、航天、国防及工业自动化等自动控制领域。随着电力电子、控制理论、计算机术等技术的快速发展以及电机制造工艺水平的不断提高，伺服系统近年来获得了迅速发展。 1伺服系统的发展阶段 伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段相联系，
由直流电机构成的伺服系统是直流伺服系统，由交流电机构成伺服系统是交流伺服系统。伺服电动机至今经历了三个主要发展阶段： 1.1 第一个发展阶段（20世纪60年代以前）：步进电动机开环伺服系统 伺服系统的驱动电机为步进电动机或功率步进电动机，位置控制为开环系统。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。 步进电机存在一些缺点：在低速时易出现低频振动现象；一般不具有过载能力；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象。 1.2 第二个发展阶段（20世纪60-70年代）：直流伺服电动机闭环伺服系统 由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。 1.3 第三个发展阶段（80年代至今）：无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统
Abstract 简要介绍交流伺服电机及驱动系统的发展与应用。目前对同步伺服电动机的控制方法 多采用自适应控制和磁场定向矢量控制。随着应用场合与控制对象的不同采用不同的 控制策略。DSP控制技术的应用使现代控制理论中先进的、复杂的算法得以实现。现今，随着电机、功率器件、传感器、微电子器件及控制理论控制算法的不断发展，经历了 几代的应用结合，伺服驱动装置正朝着交流化、数字化、大功率方向 关键词:交流伺服电机;驱动系统;特点;发展;应用 引言 近年来随着物流仓储设备的快速发展，有很多物流仓储设备都选用多功能工业门机作 为大宗货物进出仓库的阀门。工业门机具有快速、全自动、安全、可靠、多功能等多 种优点，可以高效便捷的使货物进出仓库，保证仓库内的环境清洁和安全,成为先进物 流仓储设备的重要组成部分。伺服驱动控制系统是80年代国际上崛起的高性能产品， 具有良好的控制性能和较高的动态品质，并以调速范围广、稳速精度高、动态响应性 能好、使用简便等优越性能，迅速成为伺服系统发展的必然趋势.因此研究具有必要性. 前言 伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国 内外普遍受到关注。在20世纪最后10年间，微处理器（特别是数字信号处理器——DSP）技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展 奠定了良好的基础。如果说20世纪80年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技 术的话，那么，20世纪90年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的 10年。这一点在一些工业发达国家尤为明显。 1交流伺服电机及驱动系统概述
1.1伺服驱动系统的概述 伺服驱动系统是CNC装置和机床的联系环节。CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下： 1.1.1伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力； 1.1.2伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。 1.2交流伺服电机及驱动系统的特点 1.2.1交流伺服电机特点 a精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题； b、转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转； c、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用； d、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合； f、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内； e、舒适性：发热和噪音明显降低。 简单点说就是：我们平常看到的那种普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然后停下。
交流伺服电机与运动控制卡的接口实验 一、实验目的 1.认知富士交流伺服电机及驱动器的硬件接口电路 2.认知MPC2810运动控制卡的硬件接口 3.掌握驱动器与MPC2810运动控制卡的硬件连接 二、实验器材 MPC2810运动控制卡、富士交流伺服电机及驱动器，数控实验台II,若干导线，万用表 三、实验内容及步骤 有关富士交流伺服电机及驱动器的详细信息参见《富士AC 伺服系统FALDIC-W 系列用户手册》，有关MPC2810运动控制卡的详细信息参见《MPC2810运动控制器用户手册》。 一）、MPC2810运动控制器相关简介 MPC2810运动控制器是乐创自动化技术有限公司自主研发生产的基于PC的运动控制器，单张卡可控制4轴的步进电机或数字式伺服电机。通过多卡共用可支持多于4轴的运动控制系统的开发。 MPC2810运动控制器以IBM-PC及其兼容机为主机，基于PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元。它与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；运动控制器完成运动控制的所有细节（包括直线和圆弧插补、脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。 MPC2810运动控制器配备了功能强大、内容丰富的Windows动态链接库，可方便地开发出各种运动控制系统。对当前流行的编程开发工具，如Visual Basic6.0，Visual C++6.0提供了开发用Lib库及头文件和模块声名文件，可方便地链接动态链接库，其他32位Windows开发工具如Delphi、C++Builder等也很容易使用MPC2810函数库。另外，支持标准Windows动态链接库调用的组态软件也可以使用MPC2810运动控制器。 MPC2810运动控制器广泛适用于：激光加工设备；数控机床、加工中心、机器人等；X-Y-Z控制台；绘图仪、雕刻机、印刷机械；送料装置、云台；打标机、绕线机；医疗设备；包装机械、纺织机
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
《伺服与运动控制》技术答疑 2013年4月 李方园 【问题1】什么是编码器的长线驱动？普通型编码器能否远距离传送？请举例说明。 【解答】 长线驱动也称差分长线驱动，5V或TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。 普通型编码器一般传输距离是100米，如果是24V HTL型且有对称负信号的，传输距离300-400米。 图1所示为Hlperface编码器的长线驱动接线示意，表1为其端子定义。 图1 编码器的长线驱动接线示意 表1 编码器端子定义
【问题2】增量型编码器和绝对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？ 【解答】 常用的为增量型编码器，如果对位置、零位有严格要求用绝对型编码器。 伺服系统要具体分析，看应用场合。测速度用常用增量型编码器，可无限累加测量；测位置用绝对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），最终看应用场合，看要实现的目的和要求。 【问题3】选用绝对型编码器应注意哪些事项？ 【解答】 A．机械部分: 1.测长度还是测角度，测长度如何通过机械方式转换(在上面有一些介绍，如不清楚可来电讨论)。测角度是360度内(单圈)，还是可能过360度(多圈)。生产过程是一个方向旋转循环工作，还是来回方向循环工作。 2.轴连接安装形式，有轴型通过软性联轴器连接，还是轴套型连接。 3.使用环境：要注意粉尘、水气、震动、撞击。 B．电气部分 1.需要确定连接的输出接收部分是什么。 2. 需要确定信号形式。 3. 需要确定分辨率要求。 4. 需要确定控制要求。 【问题4】一个圆盘，分50个点，要实现定位控制，转速很慢，是要用到绝对型编码器吗？怎么找原点呢？50个位置定位是360度均匀等分吗？ 【解答】 绝对编码器的编码都是2的幂次方，没有360度均匀50等分的，要近似，看精度要求有多高，选多高线数的编码器，如果精度要求不是太高的话，用8位256线的就可以了。编码器的每个位置都有唯一编码，编码为零的就可以作为零点，也可以任意位置定义为零，其他位置与其比较计算。 如果可以用参考点的话，也可以用增量式的，因速度慢，应该选3000线或以上的，每圈一个零位。 【问题5】光电编码器、光学电子尺和静磁栅绝对编码器的优缺点是什么？ 【解答】 光电编码器： 1、优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术在直径φ66的编码器上可达到54000cpr) ，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电绝对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。 2、缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。 光学电子尺： 1、优点：精密，本身分辨度较高（可达到0.005mm）；体积适中，直接测量直线位移；
运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环速度环位置环。 1、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID 调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。 2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。 3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器。 编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。 谈谈PID各自对差值调节对系统的影响： 1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。。。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。。。 2、单独的I（积分）就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，所以同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程，。。。这个环节最大的好处就是被调量最后是没有残差的。。。
机电一体化系统设计基础课程教学辅导 第四章：伺服驱动系统的原理与种类 一、教学建议 ●通过文字教材掌握伺服驱动的基本原理，了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性。 ●流媒体课件第15讲介绍了机电一体化系统伺服驱动的基本原理、种类及其特性； ●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。 二、教学要求 1．掌握伺服驱动的基本原理 一般来说，伺服系统组成框图如图1所示。 图1 伺服系统组成框图 （1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。 （2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。 （3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。 （4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。 2．了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性 （1）根据使用能量的不同，可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型，特性如表1所示。 表1 伺服驱动系统的特点及优缺点
①开环伺服系统 如图2所示，若伺服驱动系统中没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。开环伺服系统的精度较低，一般可达到0.01m左右，且速度也有一定的限制，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便，另外由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所以其工作稳定、可靠，因此在一些精度、速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中得到了广泛应用。 图2 开环伺服系统 ②全闭环伺服系统 如图3所示，全闭环伺服系统是由安装在工作台上的位置检测装置，将工作台的直线位移转换成电信号，并在比较环节与指令脉冲相比较，将所得的偏差值经过放大，由伺服电机驱动工作台向偏差减小的方向移动，直到偏差值等于零为止，定位精度可以达到亚微米量，是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案。但由于全部的机械传动链都被包含在位置闭环之中，机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本高。因此，全闭环伺服系统主要用于高精密和大型的机电一体化设备。 图3 全闭环伺服系统 ③半闭环伺服系统 半闭环伺服系统中工作台的位置通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端的编码器间接获得，它与全闭环伺服系统的区别在于检测元件位于系统传动链的中间，故称为半闭环伺
1.课程设计内容和任务要求 1.1设计内容 （1）正确编写PLC程序，能够实现伺服电机的跟随控制 （2）用人界面监控实现伺服电机正反转的控制 1.2 任务要求 （1）熟悉课程设计内容，收集资料，详细阅读各设备说明书； （2）总体设计，正确选定系统方案，认真画出系统总体结构框图； （3）系统各部分的硬件设计； （4）绘制系统硬件原理图（接线图）； （5）编写系统控制程序； （6）设计系统监控界面； （7）完成系统测试，并整理编写课程设计说明书 2.课程设计涉及到的硬件设备 2.1 台达伺服驱动器（ASD-A0421-AB）的功能介绍 本次课程设计选用型号为ASD-A0421-AB的伺服驱动器（额定输出功率为：400W；输入电压及相数：220V单相；编码器分辨率：1000ppr；支持ECMA电机机种）。与驱动器配套的电机型号为ECMA-C30604ES,其额定电压及转速：220V/3000rpm；感应形式：2500ppr；额定输出功率：200W。 2.1.1伺服驱动器的三种控制方式 一般伺服有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。在控制方式上用脉冲串和方向信号实现。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么样的控制方式要根据控制的需求，满足何种运动功能来选择。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。 （1）转矩控制：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，具体表现为，例如10V对应5NM的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5NM，如果电机轴负载低于2.5NM时电机正转，外部负载等于2.5NM时电机不转，大于2.5NM时电机反转（通常在有重力负载的情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 （2）速度模式：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
选购要点：伺服电机的三种控制方式 伺服电机速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求以及满足何种运动功能来选择。接下来，松文机电为大家带来伺服电机的三种控制方式。 如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。 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(在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的四种方案：单片机系统，专业运动控制PLC，PC+运动控制卡，专用控制系统。“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。 随着PC（Personal Computer）的发展和普及，采用PC+运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制。目前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。)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
伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性
雷赛控制产品与伺服驱动配套应用小技巧 作者：李军 对于一些初次使用雷赛运动控制卡的客户来说，常常会在控制伺服电机时出现一些小问题，以致拖迟客户的发开进度，下面简单介绍一下常出现的3个问题，结合DMC5480控制卡实测的曲线为例，给出解决办法： 1、脉冲模式匹配问题 伺服驱动器的脉冲模式要与控制卡的脉冲模式保持一致，否则可能导致 A.伺服电机只能朝一个方向运动； B.做往返运动时会出现一个方向有累计 误差。 DMC5480卡的脉冲模式有6种，其中单脉冲模式（即方向+脉冲模式）4种，如图1所示；双脉冲模式2种，如图2所示。 A.出现伺服电机只往一个方向运动时，排除接线错误后，就有可能是控 制卡设置单脉冲模式（双脉冲模式），而伺服驱动器设置成双脉冲模式 （单脉冲模式）了，把伺服驱动器和控制卡设置成对应的脉冲模式即 可解决该问题。 B.做往返运动时会出现一个方向有累计误差时，是脉冲信号的上升沿或 下降沿选择错误，从而导致电机在换向时丢一个脉冲，随着往返次数 增加，产生的累计偏差也会越来越大。比如脉冲模式0是上升沿有效， 脉冲模式1是下降沿有效，控制卡设置脉冲模式0，而伺服电机的脉冲 信号实际上是下降沿有效，从图1可以看出来，换向后控制卡发出的 第一个脉冲信号将丢失，因为伺服驱动器接收的脉冲信号是下降沿有 效，所以脉冲换向都会丢失一个脉冲信号。双脉冲模式与单脉冲模式 的类似，在这不在重复了。 图1 单脉冲模式
图2 双脉冲模式 2、正确使用伺服使能SEVON信号 伺服上电后如果SEVON信号无效，伺服电机不会锁死，控制卡发脉冲给伺服，伺服也不会运动，所以伺服电机运动前一定要使能。许多客户可能认为伺服使能信号不重要，因此在实际应用中对该信号不予处理，直接导致设备在开机和关机时的异常响应，从而认为整个控制系统出现问题，通过下面的分析可以帮助大家解惑，希望能让大家对SEVON信号有效的帮助到设备的控制有更好的认识。 由于控制卡是插在PC的PCI插槽上的，由PC供给控制卡一个5V的电源，所以PC在开机和关机时，会有一个0-5V的电压变化的，也就是PC在开机和关机时会有一个等同于脉冲信号的电压变化信号发出来，如下述：a, 脉冲输出模式1时，脉冲结束时脉冲口电平状态如下图3： 图3 脉冲输出波形图
驱动力控制系统TCS （又称TRC 防滑控制系统TRAC 循迹控制系统） 第一节概述 一、TCS 的作用在摩擦力限度内自动调节汽车的驱动力，避免车轮打滑、轮胎磨损，使车辆能正常行驶及维持转向的稳定性和操控性。 汽车行驶时，轮胎会受到两个力，即加速时的驱动力和转向时的向心力，两力之和称为轮胎力。 汽车的驱动力超过摩擦力的限度时轮胎因打滑的关系，将无法有效的将驱动力传至路面，使车辆无法操纵而发生不安全。 二、ABS 与TCS 的区别 1、ABS 是在制动时防止车轮抱死，以免发生滑行现象，而TCS 是在湿滑起步或加速时防止驱动轮打滑或在摩擦系数相差很大的非对称路面防止单侧驱动轮打滑。 2、ABS 对驱动轮和非驱动轮都可以控制，而TCS 则只控制驱动轮 3、ABS 控制期间，各车轮之间的影响不大，而TCS 控制期间由于差速器的作用，会使驱动车轮之间产生相互影响 三、TCS 的控制方式 1、控制发动机 控制燃油喷射量、节气门开度或点火的时间 2、控制制动（驱动轮） 与ABS 调节器共用或另设调节器 3、发动机与制动力同时控制
四、TCS 的控制范围 控制范围：滑移率0-35% （B 范围） 1、以A 范围为目标，可发挥最大的驱动力，但轮胎的向心力不足，转向控制性能变差，若以向心力最大为优先条件，则无法获得有效的见加速力。 2、为兼顾驱动力和向心力，以B 范围为控制目标，以路面状况、转向盘转角、车身倾斜度等为据，由TCS ECU 计算出最小滑移率目标值，由100%至100% 向心力作最佳的调配，使车辆在安全状态下充分发挥其操作性与运动性。 五、TCS 系统的控制对象 1、起步加速控制当驾驶员在光滑路面上过多踩油门时，会造成车轮的 滑转。驱 动控制系统通过自动施加部分制动或减少发动机输出功率的方式，可使车轮的滑移率保持在最佳范围内，由此可防止驾驶员过多踩油门所带来的负作用，获得较好的行驶安全性及良好的起步加速性能。当然，也可减少轮胎
?、伸缩缝损坏现状 伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理: 伺服的基本概念是准确、精确.快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。；^^子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间柑差90°电角度。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的U/V/W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反惯值与目标值进行比较，调整转子转动的角度0伺服电机的精度决世于编码器的精度｛线数）。 伺服电动机又称执行电动机?在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出.其主要特点是，当信号电压为零时无自转现彖.转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机/可使控制速度，位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转"现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时.如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点: lx起动转矩大 由于转子电阻大，苴转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2 相比，有明显的区别。它可使临界转差率so>r这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩0因此，当;^子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度髙的特点。
伺服-运动控制卡的工作原理及其应用 作者：深圳众为兴数控 运动控制卡通常是采用专业的运动控制芯片或高速DSP 来满足一系列运动控制需求的控制单元，其可通过PCI 、PC104等总线接口安装到PC 和工业PC 上，可与步进和伺服驱动器连接，驱动步进和伺服电机完成各种运动(单轴运动、多轴联动、多轴插补等)，接收各种输入信号(限位原点信号，sensor)，可输出控制继电器、电磁阀、气缸等元件。用户可使用VC 、VB 等开发工具，调用运动控制卡函数库，快速开发出软件。 以一个通用的XYZ 三轴通用控制平台开发为例，此平台加上胶枪、刀具等模块后可用于点胶、切割等用途，运动控制卡采用深圳众为兴数控开发的ADT8940A1，ADT8940A1运动控制卡是一款经济实用型运动控制卡，4轴伺服/步进电机控制，最大脉冲输出频率为2MHz ，每轴均有位置反馈输入；可实现2-4轴直线插补，可实现XYZ 三轴插补，进行整体配合动作；带有40路隔离数字输入，16路隔离数字输出，可控制胶枪、刀具等模块；具有外部信号驱动、硬件缓存等功能，能满足绝大部分的4轴以下工作平台的运动控制需求。
ADT8940A1能驱动绝大多数的伺服驱动器。ADT8940A1运动控制卡采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定伺服电机的转动圈数，脉冲频率决定伺服电机的转动速度，同时ADT8940A1卡能够将伺服电机的位置实时反馈给控制系统软件。可将伺服报警、伺服到位等信号接入ADT8940A1卡，实时反馈伺服状态。用输出可实现伺服的伺服使能和伺服报警清除等功能。我们XYZ轴采用丝杠传动方式的话，XY假如选用5mm间距的丝杠，将伺服的每转脉冲设置为10000,ADT8940A1控制卡控制精度为1个脉冲，机械的精度将可以达到 5mm/10000=0.0005mm；ADT8940A1控制卡的速度可达2000000脉冲/秒，伺服电机的转速可以高达12000转/分钟，XY轴的速度可达1000mm/s。为了使机械运行更平稳，运用ADT8940A1的硬件加减速功能，能在很短时间内从低速加速到高速，同时也在运动中改变速度，实现速度灵活控制，设置也很简单，只需用运动控制函数库中的 set_startv设置低速，set_speed设置高速，set_acc设置加速度即可
伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。伺服电机工作原理: 伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 伺服使能，是伺服系统的输入信号，上位机输出信号给伺服系统使伺服系统处于使能状态，该信号有效时，驱动器控制电机绕组通电，允许接收其他控制指令；否则电机绕组断电，电机处于自由状态，为止偏差清零，不接收其他指令。 伺服准备好，是伺服系统的输出信号，当驱动器上电完成初始化，可以正常运行时，会输出该信号给上位机。
细数三菱伺服绝对值位置控制系统 绝对值位置控制系统对于经常使用的点位控制系统来说，是一种非常方便实用的位置控制方式。一旦原点设置后，完毕每次停电后开机时，这种系统不需要回原点，大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列PLC是在实际中经常用到的伺服系统和控制器，本文讨论在某些特殊的应用场合，如何应用它们来构建一个绝对值位置控制系统。 控制任务简介 这是一个实际使用的控制任务，a点是设备的原始位置，b点是设备的工作位置。开始工作后，设备以位置控制方式移到工作位置b，然后，设备从b以速度控制方式点向a点移动。在移动过程中，执行一些其他的任务，当这些任务完成后在a与b之间的任一位置c点停止。然后以位置控制方式回到原始位置a点，这样整个工作循环结束。 控制平台 三菱j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列plc的功能和特性：三菱mr-j2s-a 系列的伺服系统中伺服电机的编码器为每转为131072线的绝对值编码器，伺服驱动器能够在停电情况下记住伺服电机的当前位置。该伺服系统有位置控制、速度控制和转矩控制三种运行方式。同时该伺服系统内置绝对位置专用传输协议，如果菱mr-j2s-a系列的伺服系统工作在位置方式，则可配合fx2n系列plc的dabs（读绝对位置）指令，在伺服驱动器通电后伺服on（son信号）有效时，plc中读出伺服电机的当前位置。但仅在son信号接通时的上升沿开始传输当前伺服电机位置一次，在son信号接通以后将不再传输伺服电机的当前绝对位置。伺服电机的当前绝对位置
由位置控制装置（如fx2n-1pg模块）根据发出的脉冲数来确定。这实际上是一个开环控制系统。在不发生报警或者脉冲传输不受到干扰的情况下，整个位置控制系统的位置将不会丢失。如果工作在速度控制方式则不能在son接通时读取伺服电机的绝对位置，在整个工作过程中，也无法确定取伺服电机的绝对位置。 任务分析 在本任务中，伺服驱动器将工作在位置控制和速度控制两种方式。a点和b点的定位操作，要求控制系统必需记住伺服电机的位置，但由于b点与c点之间的速度运行方式，使得传统的控制系统不能获知伺服电机的位置。因为尽管在位置方式位置控制器能确定伺服电机的位置，但在伺服驱动器从位置方式转变为速度方式后，位置控制器将不起作用，所以也无法确定伺服电机的位置。由于在整个控制过程中，既有位置控制方式，又有速度控制方式，所以典型的传统控制配置将不能满足本控制任务，必须采用一种新的控制方式来实现控制。 控制方案的硬件配置 上述问题的基本解决思路是通过plc与伺服驱动器的通讯方式，来实时读取伺服电机的当前实际位置，这样不管伺服系统处于位置控制方式，还是在速度控制方式，控制系统都能知道伺服电机的当前位置，从而使系统能正确地定位在a点和b 点。通过查阅资料，我们了解到三菱j2s系列伺服系统除了内置绝对位置专用传输协议外，还内置了三菱伺服通讯协议；三菱fx2n系列内置了无协议通讯指令（rs指令），所以我们可使用rs指令根据伺服驱动器的通讯协议来读取电机当前位置。 fx2n系列plc为主控制器，扩展特殊模块fx2n-1pg为定位模块，其输出为频率和脉冲数可控的定位脉冲。当plc主系统通过通讯方式获得伺服电机当前位置的前提下，能在定位指令的驱动下，驱动伺服电机到给定位置；扩展特殊模块fx2n-4da