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1、伺服系统设计介绍：伺服系统也叫随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作从而得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统，伺服系统是一种反馈控制系统。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器，它由电器控制装置、执行元件、机械执行装置和传感器组成。基本原理：机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般由以下五部分来完成工作：1.比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。2.控制器 控制器通常是计算机或 PID（比例、积
2、分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。3.执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4.被控对象 直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。5.检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。关键技术：交流永磁同步伺服系统在现代数控加工和机器人等运动控制领域具有无可替代的地位,然而由于国内伺服行业起步晚、经验少、技术水平低等原因,高端伺服驱
3、动系统仍然被国外所垄断。为促进我国产业升级,提升民族制造业水平,本文对总线型交流伺服驱动系统的关键技术进行了深入研究。通过对伺服系统总线接口技术的研究,将工业以太网技术应用于交流伺服驱动系统,立足实现伺服驱动系统网络化控制；通过分析和研究模型参考自适应系统)和卡尔曼滤波器等相关理论,实现了伺服系统控制参数在线自整定以及超低速下的平稳控制。 首先,研究了实时工业以太网在伺服驱动系统中的应用。对课题组自主研发的以太网总线技术 EtherMAC 进行了改进和完善,针对伺服驱动装置对总线控制接口的特殊要求,设计了 EtherMAC 伺服驱动从站的物理层、数据链路层和应用层。规划了用于伺服驱动系统的以太
4、网数据帧协议标准,其中包括通讯控制指令、伺服控制指令及运行状态反馈数据。实验结果表明,在不使用强实时操作系统和专用网卡条件下,本文所设计的总线型伺服驱动从站可以满足伺服系统对实时性和同步性的要求。 其次,依据现代控制理论分析了伺服驱动系统各环节的传递函数,为实现被控对象参数辨识、闭环控制参数自整定以及超低速平稳控制等研究提供良好的理论依据,并依此建立了电流环、速度环和位置环三环串级控制结构中各环路的数学模型。为提高内埋式永磁同步电机的驱动效率,改善调速性能,本文针对其特殊的磁路结构,研究了最大转矩电流比的电流矢量控制策略,提出了一种适于工程应用的近似实现方法。 然后,对伺服驱动系统控制参数自整
5、定策略进行了研究。通过对伺服系统中的被控对象进行特征分析,提出了基于模型参考自适应理论的被控对象特征参量的在线辨识方法。建立了永磁同步电动机电枢绕组电阻、等效同步电感、永磁体磁链和系统转动惯量在线辨识的可调参数模型,并依据 Popov 超稳定理论设计了自适应规则。通过分析各控制环节的数学模型,依据二阶最佳系统、三阶最佳系统等系统矫正理论,推导出伺服驱动系统电流环、速度环和位置环中控制参数的整定规则,并利用在线辨识出的特征参数实现控制参数的在线自整定。仿真和实验表明,本文提出的参数在线辨识方法收敛速度快、辨识精度高且具有良好的适应性,可在需要更新被控对象特征参数时随时执行；控制参数经自整定后有效
6、地改善了伺服系统的动态性能,增强了伺服驱动系统的鲁棒性。 此外,研究了交流永磁同步伺服系统超低速控制策略。针对伺服驱动系统中低速和超低速平稳控制这一难点问题,提出了一种基于(扩展)卡尔曼滤波器最优估计理论,适用于宽转速、高噪声环境下的电机瞬时转速、角位移和等效负载转矩的在线估计方法。并利用 MRAS 在线辨识出的系统转动惯量对估计器的状态矩阵进行实时更新,实现转动惯量自适应状态估计。依据估计出的等效负载转矩设计了转矩前馈环节,用以提高伺服驱动系统的转矩响应速度,降低负载变化率。同时,对常规 M/T 速度检测方法进行改进 ,以消除非完整编码器脉冲周期造成的测速误差。根据伺服驱动系统在不同速度区间
7、的运行特性,提出了一种伺服驱动系统变结构优化控制方案。该方案根据当前电机转速的不同,动态调整电流环和速度环的控制周期,并配置最优的控制和参量反馈策略。实验结果表明,该优化配置策略可以提高伺服系统中、高速区域的动态响应,且保证电机在低速和超低速区域的平稳运行,使得伺服驱动系统在较宽的速度范围内均可获得良好的控制性能。 最后,研发了基于实时工业以太网的总线型交流伺服驱动系统。设计了总线型伺服驱动硬件平台,开发了基于 STM32F4 系列 ARM 控制器的 PMSM 矢量控制算法库和以太网应用层程序,并设计了上位机图形化用户应用程序用于伺服控制和调试。实验结果表明,所设计的总线型伺服驱动系统具有良好的电流环、速度环和位置环动、静态性能。 解决技术方法：提高某些技术要求，比如对伺服系统稳定性能的要求（分系统静态误差、系统速度误差、系统加速度误差） ，对伺服系统动态性能的要求，对系统工作环境的要求，对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等要求。
