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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、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。
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机电创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机电、感应电机为伺服机电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、大规模集成电路创造、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、柔性创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，被控对象应自行住手。
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、速度及位置都能灵便方便的控制。
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。
它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。
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者外界干扰的作用下，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机电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。
工业机器人交流伺服驱动系统设计作者：龙凯李刚成来源：《山东工业技术》2016年第11期摘要：交流伺服驱动系统是机器人设备动作实现的核心，通过电动机旋转产生的力驱动工业机器人各个关节完成相应制定的动作目标，因此设计科学、完善的工业机器人交流伺服驱动系统是提高工业机器人技术，提高我国机械制造强国战略目标的重要途径。
本文以某公司电机专用芯片TMS320F2812作为核心控制器，设计了工业机器人交流伺服驱动系统。
关键词：工业机器人；交流伺服驱动；设计；永磁同步电机DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.0030 引言随着工业机器人在工业领域的广泛应用，工业机器人技术越来越被人们所重视，甚至工业机器人技术成为衡量国家综合实力的重要指标。
工业机器人所具备的自动化技术及应用灵活的特点能够适应各种复杂的生产环境，机器人动作的完成主要是依靠伺服驱动电机完成，因此机器人性能好坏与伺服驱动控制系统有着直接的关系。
交流永磁同步电动机能够满足机器人技术对交流伺服电动机控制系统要求的性能指标，因此该电机成为交流伺服驱动的首要选择。
1 交流伺服驱动系统的概述随着电机技术的不断发展以及各种材料的不断完善，新型永磁同步电动机已经被各行所广泛应用，根据控制系统的要求，交流伺服驱动系统主要采取闭环控制方式。
根据交流伺服驱动系统的发展现状，其未来发展趋势主要呈现出以下特点：（1）数字化，随着微电子技术的发展，控制芯片的体积越来越小，抗干扰能力越来越强，其实现控制结构越来越便利，可以随时通过编程对软件程序进行控制，因此其数字化技术越来越高；（2）智能化，随着工业生产环境的不断恶化，要求交流驱动系统要适应不同的环境，因此需要其具有智能化的特点，减少人工参与；（3）通用化，伺服驱动系统一般配有多种控制功能参数，这样做的目的就是不改变硬件电路的基础上实现不同模式的工作，保证其符合多种工作环境。
使用交流伺服驱动系统进行伺服控制的策略主要包括：一是恒压频比控制。
伺服系统的动力设计方法。
惯量匹配;容量匹配摘要：一、引言二、伺服系统动力设计方法概述1.惯量匹配2.容量匹配三、惯量匹配设计方法1.设计原则2.设计步骤3.应用实例四、容量匹配设计方法1.设计原则2.设计步骤3.应用实例五、设计注意事项1.系统稳定性2.系统动态性能3.系统能耗六、结论正文：一、引言伺服系统作为现代自动化控制的核心，其动力设计方法在保证系统性能和稳定性方面具有重要意义。
本文将对伺服系统的动力设计方法进行详细阐述，重点分析惯量匹配和容量匹配两种设计方法，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
二、伺服系统动力设计方法概述伺服系统动力设计主要包括惯量匹配和容量匹配。
惯量匹配是指在设计过程中，使得系统的负载惯量与驱动器的驱动惯量达到一定程度的平衡，以提高系统的响应速度和稳定性。
容量匹配则是保证系统在不同负载条件下，电机的输出功率与负载需求相匹配，从而实现高效、稳定的运行。
1.惯量匹配（1）设计原则在惯量匹配设计中，应遵循以下原则：a.减小负载惯量对系统动态性能的影响，提高响应速度。
b.增大驱动器惯量，提高系统的稳定性和抗扰动性能。
c.使系统的固有频率远离电机的谐波频率，降低振动和噪声。
（2）设计步骤惯量匹配设计主要包括以下步骤：a.确定负载惯量和驱动器惯量的大小。
b.根据系统性能要求，设定惯量匹配目标。
c.调整负载和驱动器的惯量，使其达到匹配目标。
d.验证系统性能，如有必要，进行迭代优化。
（3）应用实例某伺服系统要求响应速度快、稳定性高。
通过分析，发现负载惯量与驱动器惯量之比为2：1。
为满足性能要求，采用惯量匹配设计方法，将驱动器惯量增大至原设计的2倍。
经过实际运行验证，系统响应速度和稳定性均得到显著提高。
2.容量匹配（1）设计原则在容量匹配设计中，应遵循以下原则：a.电机的工作点应处于其高效运行区域。
b.保证系统在不同负载条件下，电机的输出功率与负载需求相匹配。
c.避免电机过载或欠载运行，以降低能耗和延长使用寿命。
伺服系统设计步骤及方法伺服系统是指一种能够控制运动精度和位置的系统，常见于工业自动化、机器人、汽车等领域。
伺服系统设计的主要目标是提高系统的稳定性、响应速度和控制精度。
在设计伺服系统时，需要按照一定的步骤和方法进行，以确保系统能够满足要求。
下面是伺服系统设计的一般步骤及方法：1.定义系统需求：首先确定伺服系统的工作环境、运动要求和性能指标。
例如，确定系统需要在何种速度、加速度和精度下运动，以及要控制的负载和环境条件等。
2.选择伺服驱动器和电机：根据系统的需求，选择合适的伺服驱动器和电机。
此步骤需要考虑到系统的负载特性、控制精度、电源电压和电流等。
通常，选择驱动器时需要考虑其速度和定位控制的能力，选择电机时需要考虑其功率、转矩和惯性等。
3.确定控制方式：根据系统需求，确定使用的控制方式，包括位置控制、速度控制和力控制等。
对于不同的应用场景，选择合适的控制方式可以提高系统的控制效果和稳定性。
4.设计控制算法：根据系统需求和控制方式，设计控制算法。
常用的控制算法包括PID控制、滑模控制和模糊控制等。
控制算法的目标是根据系统的输入和输出，以最优的方式控制电机的速度和位置。
5.选择传感器和反馈装置：为了实现对伺服系统的准确控制，通常需要选择合适的传感器和反馈装置，用于测量和反馈系统的位置、速度和加速度信息。
常用的传感器包括编码器、光电开关和位移传感器等。
6.确定反馈控制回路：根据系统需求和传感器的信息，确定系统的反馈控制回路。
反馈控制回路可以根据测量值对系统进行修正和调整，以实现更精确的控制。
同时，反馈控制还可以稳定系统的工作状态，并减小由于负载变化和环境干扰引起的系统波动。
7.运动规划和轨迹生成：根据系统的运动需求和控制算法，进行运动规划和轨迹生成。
运动规划是指通过规划器生成一条供伺服驱动器执行的运动轨迹。
轨迹生成是指将运动规划生成的轨迹转化为伺服驱动器可以执行的轨迹。
8.系统调试和优化：完成系统的硬件搭建和软件编程后，进行系统调试和优化工作。
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2、运行范围较宽如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。
3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。
当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T′－S曲线）不同。
伺服驱动系统设计方案及对策一、硬件设计方案及对策：1.选用高性能的伺服电机和驱动器：根据具体需要选择适合的伺服电机和驱动器，确保其具备足够的功率和控制精度。
在选择过程中，需要对驱动器的技术参数进行充分了解，并评估其适用性和可靠性。
2.采用合适的编码器：编码器用于测量电机的位置和速度，对伺服驱动系统的控制精度至关重要。
选择合适的编码器，能够提供高分辨率和高精度的反馈数据，并且具备良好的抗干扰性能。
3.电源设计：伺服驱动系统对电源质量和稳定性要求较高，需要提供稳定的电源供应和电磁兼容性设计，避免电源波动对系统性能的影响。
4.散热设计：伺服电机和驱动器在运行时会产生较大的热量，必须进行有效的散热设计，以确保系统的稳定性和可靠性。
可采用风扇散热、散热片等方式来降低温度。
5.机械设计：在伺服驱动系统中，机械结构的设计对系统性能有很大影响。
需要针对具体应用场景选择合适的传动方式和结构设计，考虑到负载、速度、精度等因素。
6.停电保护设计：为了避免突发停电导致系统损坏，可以设计备用电池或超级电容器等储能装置，以保证在停电短时间内继续工作并正常停机。
二、软件设计方案及对策：1.控制算法设计：通过对伺服电机的位置、速度和加速度等参数进行精细控制，实现对运动轨迹的准确控制。
设计合理的控制算法，能够提高系统的控制精度和稳定性。
2.运动控制软件设计：根据伺服驱动系统的应用需求，设计合理的运动控制软件，包括运动插补算法、软件调速、位置校正等功能。
3.通信接口设计：伺服驱动系统通常需要与上位机或其他设备进行通信，需要设计合适的通信接口，以实现数据传输和控制。
4.用户界面设计：为了方便用户操作和监测系统运行状态，可以设计友好的用户界面，包括参数设置、故障诊断、实时监控等功能。
5.系统诊断与故障检测设计：通过设计合理的系统诊断和故障检测功能，可以检测和排除系统故障，提高系统的可靠性和稳定性。
三、通信网络设计方案及对策：1.选择适当的通信协议：根据伺服驱动系统所处的应用环境和通信要求，选择适当的通信协议，如CAN总线、以太网等。
两轴伺服控制系统设计伺服控制系统是一种能够精确控制运动过程中位置、速度和力度的系统，常用于机械、自动化和机器人领域。
在此，我们将设计一个两轴伺服控制系统，用于控制一个机器人的两个关节。
系统结构设计：1.控制器：使用一款高性能的双轴伺服控制器，能够实现对两个轴的独立控制，并具有足够的计算能力和通信接口。
2.编码器：每个关节安装一个编码器，用于实时反馈关节的位置信息，以便控制器实现闭环控制。
3.伺服驱动器：每个关节连接一个伺服驱动器，用于控制伺服电机的速度和位置，以实现对关节的精确控制。
4.伺服电机：每个关节使用一款高性能的伺服电机，具有高转矩和响应速度，能够满足机器人关节的动力需求。
5.通信接口：控制器与计算机或人机界面之间通过以太网或串口通信，实现参数设置和监控功能。
系统功能设计：1.其中一个轴作为主轴，另一个轴作为从轴，主轴和从轴之间通过齿轮传动或同步带传动连接。
2.控制器通过内置的PID控制算法实现对主轴和从轴的位置控制，可以实现位置或速度控制模式。
3.控制器通过接收编码器反馈信号，实时计算主轴和从轴的位置误差，不断调整伺服电机的输出信号，使得两个轴的位置保持一致。
4.控制器具有多段加减速功能，可以设置不同的加减速时间和速度曲线，实现平滑的运动过程。
5.控制器具有位置误差补偿功能，可以根据实际应用场景进行参数调整，提高系统的稳定性和精度。
6.用户可以通过计算机或人机界面对系统参数进行设置和监控，实现对系统的远程控制和故障诊断。
系统性能设计：1.系统具有高精度的位置控制能力，可以实现微米级的定位精度，满足高精度加工和装配应用的要求。
2.系统具有高响应速度和稳定性，能够在短时间内完成复杂的运动任务，确保机器人的稳定性和可靠性。
3.系统具有较强的负载能力，能够承受较大的负载力和惯性力，保证机器人在运动过程中不产生位移和抖动。
4.系统具有较高的可靠性和稳定性，能够长时间稳定运行，减少故障率和维护成本。
