伺服系统技术的开展.docx

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1、伺服系统技术的开展随着信息、通讯与自动化技术的开展，种类繁多的自动控制装置逐渐进入了人们的日常生活。网络通讯技术不仅为人们提供了方便的通讯手段，实际上也为各式各样的电子裝置提供了简易可靠的通讯渠道，借助于新式的网络通讯技术与计算功能强大的数字信号处理器芯片DSP，可以开展出多种具有根本智能的信息家电设备smartinformationappliance，例如可以帮助清洁工作的机器人、可供娱乐的电子机械宠物等等。这些结合机械、电子、通讯、控制、信息技术交融装置的核心局部就是具有网络界面的伺服系统控制器networkservocontroller。伺服技术已广泛的应用于我们的日常生活，例如光碟机光

2、学读取头的伺服控制、遥控飞机的机翼控制、数字相机的自动对焦控制、具有影像追踪功能的网络摄像监控系统、汽车自动驾驶等等，伺服系统涉及范围涵盖广泛，多学科穿插色彩浓重。伺服系统机电一体化关键技术“伺服机构系统源自servomechanismsystem，系指经过闭环控制方式到达一个机械系统位置、速度、或者加速度控制的系统。一个伺服系统的构成通常包含被控对象plant、驱动器actuator、控制器controller等几个局部，被控对象系指被控制的物体，例如一个机械手臂，或者是一个机械工作平台。驱动器的功能在于主要提供被控对象的动力，可能以气压、液压、或者是电力驱动的方式呈现，假设是采用液压驱动方

3、式，一般称之为液压伺服系统。目前绝大多数伺服系统采用电力驱动方式，驱动器包含了电机与功率放大器，十分设计应用于伺服系统的电机蒙古自治区称之为伺服电机servomotor，通常内部含有位置反应装置，如光电编码器opticalencoder或者是旋转变压器resolver，目前主要应用于工业界的伺服电机包括直流伺服电机、永磁沟通伺服电机和感应沟通伺服电机，其中又以永磁沟通伺服电机占绝大多数。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制，如转矩控制、速度控制和位置控制等。目前一般工业用伺服驱动器servodrive通常包含了控制器和功率放大器。一个传统伺服机构系统的组成如图1所示，伺服驱动器主要包含功

4、率放大器与伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器与转矩控制器，电机通常提供模拟式的速度反应信号，控制界面采用10V的模拟信号，经过外回路的模拟命令，可直接控制电机的转速或者转矩。采用这种伺服驱动器，通常必须再加上一个位置控制器positioncontroller才能完成位置控制。图2所示是一个当代的伺服机构系统构造图，其中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服电机提供高分辨率的光电编码器反应信号。多轴运动控制系统精细伺服系统多应用于多轴运动控制系统，如工业机器人、数控机床、电子零件组装系统、PCB自动插件机等等。图3所示是一个运动控制平台的方块图，工作对象的位置控制可通过平台的挪动来

5、实现，平台位置的检测有两种方式，一种是由伺服电机本身所安装的光电编码器，由于是以间接的方式反应工作对象的位置，再通过闭环控制到达位置控制的目的，因此也称之为间接位置控制indirectpositioncontrol。另一种方式是直接将位置传感组件安装在平台上，如光学尺、激光位置检测计等等，直接反应工作对象的位置，再通过闭环控制到达位置控制的目的，称之为直接位置控制directpositioncontrol。一个多轴运动控制系统由高阶的运动控制器motioncontroller与低阶的伺服驱动器servodriver所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮

6、廓控制等等，其主要关键在于降低整体系统运动控制的途径误差;伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，主要关键在于降低伺服轴的追随误差。图4所示是一个双轴运动控制系统的简化控制方块图，在一般的情况下X-轴与Y-轴的动态响应特性会有相当大的差异，在高速轮廓控制时contouringcontrol会造成显著的误差，因此必须设计一个运动控制器以整体考虑的观点来解决这个问题。网络分布式伺服系统随着网络通讯技术的进步，采用实时网络通讯技术的伺服系统也随之开展，图5所示是利用SERCOS实时通讯网络技术real-timenetworkcommunication所开展的网络控制分布式伺服系统，目前已有多种采用不同通讯

7、协议的分布式运动控制系统，如SERCOS、Real-TimeEthernet、Real-TimeCANbus。应用高速网络技术于分布式伺服系统有很多优点，诸如更灵敏的系统应用、更佳的系统整合控制效果等等。基于以太网的运动控制联网技术2003年度初，当第三代SERCOS和PROFInet工作组为今后的运动控制联网技术提出解决方案时，他们建议采用以太网作为伺服驱动联网的根底，促使伺服驱动系统的性能明显地提升。这两个工作组都声称，对于高性能运动控制应用来讲，标准的以太网技术可作为下一代版本的物理层和作为高性能运动控制应用的兼容协议。在2003年度汉诺威展览会上，PROFIBUS国际组织profibu

8、s/公布，该组织在PROFInet3.0IRT版本根底上，开场为高动态运动控制应用开发一个高性能的实时解决方案，这个解决方案采用标准的以太网媒介，可兼容的协议和能嵌入交换机和协议的ASIC专用集成电路，进而保证实时性和确定性。同样在2003年度汉诺威展览会上,SERCOS公布，已开场开发下一代SERCOSNGS协议，以进一步改善SERCOS接口标准，该协议将引入工业以太网技术。以太网应用于运动控制领域以太网在运动控制领域应用的最大优点是硬件、电缆投资本钱低，和作为事实上的标准，而在培训、灵敏性、被人熟悉程度等方面所拥有的好处。以太网在商务领域是标准网络，在几乎每家公司的所有PC上广泛应用。在制

9、造业领域，以太网的应用也在增长，很多公司已经建立了维护与支持的根底设施以有效地配置与治理这些网络。以太网在运动控制领域应用的最大障碍是其怎样克制在实时性能上天生的缺陷，保障确定性所需的额外硬件本钱，星型网络拓扑的局限性及特定的施行是否能提供互操纵性的问题。FireWireIEEE-1394作为运动控制联网协议的根底，其拥护者已经设立IEEE-1394标准，内建确定性的FireWire标准芯片集支持实时应用。第三代SERCOS新的SERCOS标准由包含SERCOS组织各会员公司成员的不同的工作组开发。在2003年度德国SPS/IPC/DRIVES展上，其开发方案向业界公布，随后SERCOS组织还

10、将致力于芯片级的技术开发。SERCOS的会员公司经过细致的市场调查，以为交融以太网和SERCOS的定时机制将导致一种鲁棒强、耐用和本钱低有吸引力的运动控制联网技术。第三代SERCOS是采用以太网技术标准来扩展现有的SERCOS标准。所有节点控制器、驱动器和I/O不是连接到传统的环形拓扑构造上，就是连接到总线拓扑构造上。一个专用的、无冲突的实时通道用于硬实时通讯，另一个附加的IP通道可以和实时通道并行地配置。这两种通道都采用标准的以太网框架，一个专用的控制器芯片负责实时通道通讯量和IP通道通讯量之间的切换，并保证所有连接节点的硬同步。第三代技术保持所有已被证实有效的SERCOS机制，例如行之有效

11、的协议，硬件同步和独特的运动控制协议行规，主要的增强功能是用于传输异步数据的附加IP通道维护、诊断等信息和网络节点之间直接通讯穿插通讯的可能性。一个附加的改良是定义冗余机制，当采用环形拓扑构造时，可实现这个机制。例如，一根电缆断开时，这种冗余机制为通讯提供可选择的途径，进而“无扰动地恢复通讯功能。SERCOS的性能使用高效的SERCOS协议并结合高带宽的快速以太网，SERCOS工作组声称，运动控制网络的性能将是引人注目的，预期的性能是在一个单独的网络上最多可支持150个驱动器，其更新的速率为500s取决于每个驱动器的数据量和配置的IP通道的规模。性能的进步有助于实现信号集中处理的多轴驱动方案1

12、6个驱动器，其更新的速率为62.5s。SERCOS组织还声称，第三代SERCOS将是一个本钱很低，但效率相当高的新技术，所需要只是一个专用集成电路芯片，以太网连接器和布线。不需要任何附加的以太网部件如网桥、路由器或者交换机这些会显著地增加本钱就能实现硬实时性能，所有这些使第三代SERCOS即使对“低本钱设备亦是颇具吸引力的。SERCOS将继续支持光纤接线，可以使控制驱动器运行的对干扰敏感的控制器不受电机产生的电磁干扰的影响。对运动控制而言，下一代SERCOS网络将采用CAT5级别的电缆作为物理媒介，网络的其余局部是混合的以太网技术，但是有一定数目的SERCOS环形拓扑构造和位于该以太网媒介顶部

13、的其他配置属性。新的SERCOS体系构造将提供不同的模型，而不是只通过带宽来解决问题，利用时间效劳的优点可以在一个时间同步化的网络上，实际上获得比在-超高速网络上能得到的更佳的性能和高可靠性。伺服系统协同整合技术伺服系统具有协同技术synergytechnology的本质。伺服系统设计必须整合多项关键技术，如自动控制、运动控制、数字控制、电机控制、电力电子、微处理器软硬件设计等等，伺服系统设计工程师必须针对系统的应用需求，整合多项不同的技术，而这一系统整合的特质，会随着微电子技术的进展，更明显的以“实时多任务柔性控制技术的方式呈现。伺服系统的整合经过如图6所示。伺服系统分层控制构造伺服系统一般

14、包括多个控制环路，如电流环，速度环，位置环等。这些环路的动态相应频带宽度不同，环路的作用也不同。因此，可以根据这些特点，将不同的环路在软硬件设计上进展分层处理，按照系统工程的思想，选择公道的硬件构造和相应的控制策略，使整个系统到达较高的性能/价格比。伺服系统的分层式控制构造如图7所示，伺服系统的闭环多回路控制构造如图8所示，当代伺服系统的分层式控制接口示意图如图9所示。ALIGN=CENTER/ALIGN伺服机构理论servomechansimtheory起源于二次世界大战期间，美国国防部为了开展具有自动控制功能的雷达追踪系统，委托麻省理工学院开展机械系统的闭环控制技术，这一开展奠定了后来伺服机构理论的根底。微处理器的开展，不仅带动了信息产业的开展，也间接带动了伺服驱动技术的开展。通用型伺服驱动器的系统构造与典型闭环控制系统的方块图分别如图10、11所示。ALIGN=CENTER/ALIGN多回路控制构造实际的伺服系统通常采用闭环多回路控制构造，如图1215所示。此种控制构造，具有先天的解耦控制效果，可以分层负责完成一个伺服系统中所需要的位置、速度、加速度控制。