第4章闭环伺服系统及轨迹实现

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伺服系统的实例
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为什么用伺服
总体是说就是对运动控制特性的更高追求，促 使用户选用伺服系统
高精度的要求 响应速度的要求 平稳性的要求 …
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伺服电机的主要技术参数（一）
功率：（单位：W，KW）100、200、 400、600、1KW…
持续电流Ic：（单位：A） 峰值电流Ip：（单位：A） 反电动势：（单位:V/千转/分钟） 相间电阻：（单位：Ω）
民用：自动封装、机械制造、航空航天、交通运输、石油 化工、家用电器；
军用：武器控制，如导弹火炮；
狭义地讲，就是伺服控制系统；
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2、为什么会产生运动控制系统
现实需求：如减轻劳动强度、提高生产效率、 探索自然奥秘；
相关技术的进步：如电力电子、计算机、微 处理器；
3、控制方式
开环控制：控制过程只有顺向作用而没有反 向联系，如步进马达控制；
W ( s ) K e j
• 当相位延迟180度时，系统变成正反馈； • 对于正反馈系统，当K小于1时系统依然稳定； • 可见，K与1的关系对于系统的稳定性具有决定
性的作用； • 由此，引出了增益裕度和相位裕度的概念。
增益（dB）
20
10
0
-10
-21001
102
103
104
100
相位（度）
2、基本功能组成
3、发展历史
控制方式：由模拟控制到数字控制； 功率驱动：50年代后期的晶闸管、70年代后期的
门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管 （BJT）、电力场效应管（Power-Mosfet）、80 年代后期出现的绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、 目前开始广泛应用的IPM； 执行元件：从直流电机到交流电机

实例| 1500PLC 连接V90 伺服系统实现位置闭环控制S7-1500 运动控制功能支持旋转轴、定位轴、同步轴和外部编码器等工艺对象。

并拥有轴控制面板以及全面的在线和诊断功能有助于轻松完成驱动装置的调试和优化工作。

S7-1500 支持多种连接方式。

可以使用PROFIBUS DP 和PROFINET IO 连接驱动装置和编码器，也可以使用模拟量输出模块（AQ）连接带模拟设定值接口的驱动装置并通过工艺模块（TM）,读出编码器的信息。

本文中所涉及的例子就是使用第二种方式。

图2-1 连接方式示意2.2 SINAMICS V90SINAMICS V90 是西门子推出的一款小型、高效便捷的伺服系统，可以实现位置控制、速度控制和扭矩控制。

使用V90 的速度控制功能可以与S7-1500 运动控制功能配合使用，接收S7-1500 模拟量模块发出的+-10V 模拟量信号做为速度给定，并通过PTO 功能反馈位置信号给S7-1500，在S7-1500PLC 中实现闭环位置控制。

3、应用项目配置示例3.1 S7-1500 组态3.1.1 组态硬件配置由于需要模拟量输出信号来控制速度给定，并接收来自V90 的脉冲反馈信号，所以S7-1500 系统中至少要配置 1 块模拟量输出模块和 1 块高速计数模块，考虑到V90 给出的位置反馈信号是5V 差分信号，S7-1500 系统中也要配置能够接收5V 差分信号的高速计数模块。

还需要 1 块数字量输出模块来为V90 提供使能信号。

图3-1 S7-1500 模块配置3.1.2 组态工艺对象驱动装置组态首先在工艺组态中添加一个定位轴，工艺对象一般的组态方法请参考《S7-1500运动控制使用入门》。

由于V90 接收的是+-10V 模拟量信号，所以模拟量输出模块也要设置输出范围为+-10V。

驱动装置类型选择“连接模拟量驱动装置”并在“输出”后面选择模拟量输出的变量名称。

为了在PLC 内激活使能时（如激活MC_Power 功能块Enable 管脚）能够把使能信号传递给V90，勾选激活启用输出，并且选择输出变量名称。

• 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。
• 位置控制：通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速
度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度。一般应 用于定位装置，如数控机床、印刷机械等等。
直流伺服电机的控制
调速方式：本驱动器提供三种调速方式
• 内部电位器调速：逆时针旋转驱动器面板上的电位器，电机 转速减小，顺时针则转速增大。
• 外部输入调速：
– 通过控制单元（如PLC、单片机等）输入模拟电平信号到“AVI” 端实现调速。调节范围0~10V对应0~3000转。
– 端子内也含有简单的RC滤波电路，因此可以接受PWM信号进 行调速控制。
闭环点位控制系统结构（图4-3）
高精度的点位控制系统大多使用测量装置构成闭环控制； 伺服系统的执行部件有直流伺服电机、液动机，双向油缸等。
4.1 点位控制与点位／直线切削控制的一般概念
直流伺服电机的控制
+I
Rf
+
U IE
a
-
Tn
G
Ra
If
Uf
-
直流他励电动机的机械特性
n
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Ra
Ke
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现代数控技术
第1章 数控系统概述 第2章 数控系统控制信号的构成 第3章 控制信号的输入 第4章 点位控制与点位/直线控制 第5章 连续轮廓控制 第6章 刀具补偿原理 第7章 加减速控制原理
第8章 数控系统的软硬件
现Байду номын сангаас数控技术
第4章 点位控制与点位/直线控制

伺服电机及其控制原理伺服电机是一种能够根据外部控制信号来实现准确位置控制的电动机。

它通过搭配编码器或传感器，能够反馈运动信息，实现高精度的运动控制。

伺服电机广泛应用于机器人、自动化设备、工业生产线以及医疗仪器等领域。

伺服电机的工作原理可以简单描述为：通过控制器将目标位置和当前位置进行比较，计算出位置偏差，并通过电机驱动器控制电机旋转，使得位置偏差最小化，从而实现精确的位置控制。

通常情况下，伺服电机控制系统由以下几个主要组成部分构成：1.电机：伺服电机通常采用直流电机或交流电机，有时也会采用步进电机。

电机的类型和规格取决于具体的应用需求。

2.编码器或传感器：它们负责检测电机的位置或运动状态，并将这些信息反馈给控制器。

编码器可以采用不同的工作原理（如光电式、磁电式等），用于提供高精度的位置反馈。

3.控制器：控制器是伺服系统的核心部件，其功能是接收来自外部的指令信号，并输出给电机驱动器。

控制器通常采用微处理器或数字信号处理器（DSP）来实现控制算法，并与编码器/传感器配合使用，实现位置反馈和误差校正。

4.电机驱动器：电机驱动器负责将来自控制器的指令信号转化为电流或电压输出，控制电机的旋转。

电机驱动器通常包含功率放大器、保护电路和信号转换电路等部分。

伺服电机的控制原理基于闭环反馈控制的思想，主要包括位置控制和速度控制两个方面。

对于位置控制，控制器将目标位置与当前位置进行比较，并计算出位置误差。

根据误差大小和方向，控制器调整输出信号，通过电机驱动器控制电机的旋转，使得位置误差最小化。

位置反馈信号由编码器或传感器提供，控制器通过比较反馈信号和目标位置来实现闭环控制。

对于速度控制，控制器将目标速度与当前速度进行比较，并计算速度误差。

根据误差大小和方向，控制器调整输出信号，通过电机驱动器控制电机的转速，使得速度误差最小化。

速度反馈信号通常由编码器或传感器提供，控制器通过比较反馈信号和目标速度来实现闭环控制。

在实际应用中，伺服电机控制系统还需要考虑加速度、阻尼等因素，以实现更加精确的运动控制。