伺服控制系统
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、速度伺服和加速度伺服系统等。
电器伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。交流伺服系统又有感应电机伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。
1.2 伺服系统的发展过程
伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程，电器伺服系统的发展则与伺服电机的不同发展阶段具有紧密的联系，伺服电机至今已有50多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段。
第一发展阶段（20世纪60年代以前）：此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制多为
开环控制。这一时期是液压伺服系统系统的全盛期。液压伺服系统能够传递巨大的转矩，控制简单，可靠性高，在整个速度范围内保持恒定的转矩输出，主要应用在重型设备和一些关键场合，比如机场设备。但它也存在一些缺点，例如发热大、效率低、易污染环境、不易维修等。
第二个发展阶段（20世纪60至70年代）：这一阶段是直流伺服电机的诞生和全胜发展时代，由于直流电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机，伺服系统的位置控制也由开环控制系统发展成为闭环系统。但是，直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，换向器成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。由于人们通过材料和工艺的改进来尽量提高直流伺服的生命力，因此直流伺服电机仍将在相当长的时间内得到应用，只是市场份额预计会持续下降。
第三发展阶段（20世纪80年代至今）：这一阶段是以机电一体化时代作为时代背景的。由于伺服电机结构及永磁材料、半导体功率器件技术、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机（方波驱动）、交流伺服电机（正弦波驱动）、矢量控制的感应电机和开关磁阻电机等新型电机。尤其是80年代以来，矢量控制技术的不断成熟，极大地推动了交流伺服驱动技术的发展，是交流伺服驱动系统的性能可以与直流伺服系统媲美。伺服驱动装置经历了模拟式——数字模拟混合式——全数字化的发展。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。
交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，过载能力强和转动惯量低体现出了交流伺服系统的优越性。交流伺服系统采用以微处理器为基础的系统芯片和智能化功率器件，很好的克服了伺服系统中模型参数变化和非线性等不确定因素，提高了系统的鲁棒性和容错性，成功实现了高精度伺服控制。特别是控制理论的新发展及智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使基于智能控制理论的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略完美结合，为交流伺服系统的实际应用奠定了坚实的基础。
1.3元件选择
1.3.1功率变换器
交流伺服系统功率变换器的主要功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的直流电能转变为伺服电机电枢绕组中的三相交流电流，以产生所需要的电磁转矩。功率变换器主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主电路等。
功率变换主电路主要由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成。为了保证逆变电路的功率开关器件能够安全、可靠地工作，对于高压、大功率的交流伺服系统，有时需要有压抑电压、电流尖峰的“缓冲电路”。另外，对于频繁运行于快速正反转状态的伺服系统，还需要有消耗多余再生能量的“制动电路”。
控制电路主要由运算电路、PWM生成电路、检测信号处理电路、输入输出电路、保护电路等构成，其主要作用是完成对功率变换主电路的控制和实现各种保护功能等。
驱动电路的作用是根据控制信号对功率半导体开关进行驱动，并为器件提供保护，主要包括开关器件的前级驱动电路和辅助开关电源电路等。
1.3.2传感器
在伺服系统中，需要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变换电路。
电流检测通常采用电阻隔离检测或霍尔电流传感器。直流伺服电机只需一个电流环，而交流伺服电机（两相交流伺服电机除外）则需要两个或三个。其构成方法也有两种:一种是交流电流直接闭环；另一种是把三相交流变换为旋转正交双轴上的矢量之后再闭环，这就需要把电流传感器的输出信号进行坐标变换的接口电路。
速度检测可采用无刷测速发电机、增量式光电编码器、磁编码器或无刷旋转变压器。位置检测通常采用绝对式光电编码器或无刷旋转变压器，也可采用增量
式光电编码器进行位置检测。由于无刷旋转变压器具有既能进行转速检测又能进行绝对位置检测的优点，且抗机械冲击性能好，可在恶劣环境下工作，在交流伺服系统中的应用日趋广泛。
1.3.3控制器
在交流电机伺服系统中，控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个系统的性能。
交流电机伺服系统通常有两类，一类是速度伺服系统；另一类为位置伺服系统。前者的伺服控制器主要包括电流(转矩)控制器和速度控制器，后者还要增加位置控制器。其中电流（转矩）控制器是关键的环节，因为无论是速度控制还是位置控制，最终都将转换为对电机的电流（转矩）控制。电流环的响应速度要远远大于速度环和位置环。为了保证电机定子电流相应的快速性，电流控制器的实现不应太复杂，这就要求其设计方案必须恰当，使其有效的发挥作用。对于速度和位置控制，由于其时间常数较大，因此可借助计算机技术实现许多复杂的基于现代控制理论的控制策略，从而提高伺服系统的性能。
1.电流控制器
电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流指令信号。为了能够快速、准确地控制伺服电机的电磁转矩，在交流伺服系统中，需要分别对永磁同步电机（或感应电机）的d、q轴电流进行控制。
2.速度控制器
速度环的作用是保证电机的转速与速度指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度控制器直接产生Q轴指令电流，并进一步用d轴电流指令共同作用，控制电机加速、减速或匀速旋转，使电机的实际转速与指令值保持一致。速度控制器通常采用的是PI控制方式。
3.位置控制器
位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过比较设定的目标位置与电机的世纪位置，利用其偏差通过位置控制器来产生电机的速度
指令当电机启动后在大偏差区域，产生最大速度指令，使电机加速运行后以最大速度恒速运行；在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。