伺服控制系統(tǒng)簡介

　　伺服控制系統(tǒng)是一種能對試驗(yàn)裝置的機(jī)械運(yùn)動按預(yù)定要求進(jìn)行自動控制的操作系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

　　伺服內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　直流伺服系統(tǒng)的組成和控制原理

　　直流伺服和交流伺服相似，可以采用控制器開環(huán)控制方式，控制器半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　直流伺服系統(tǒng)控制面板結(jié)構(gòu)如下，面板右側(cè)為與直流伺服電機(jī)接口板的接口，包括電機(jī)驅(qū)動接口和編碼器接口；左側(cè)為與運(yùn)動控制器面板的接口，包括位置控制模式接口和速度控制模式接口。

　　M+，M-信號為直流無刷伺服電機(jī)的電源線，用于驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動。

　　A+，A-，B+，B-，C+，C-，5+，0V信號為編碼器信號，用于反饋電機(jī)軸的實(shí)際位置。

　　A，/A，B，/B，C，/C，+5V，PUL+，DIR+，OGND，OVCC，GND，DAC，RESET，ALM，ENABLE為與控制器相連的控制信號。

　　其含義為：

　　A，/A，B，/B，C，/C為驅(qū)動器反饋給運(yùn)動器控制器的編碼器信號。

　　+5V為電源。

　　PUL+，PUL-為脈沖信號，用于位置模式下的電機(jī)控制。

　　DIR+，DIR-為方向信號，用于位置模式下的電機(jī)控制。

　　OGND，OVCC，GND分別為模擬地，模擬電源和數(shù)字地。

　　DAC為驅(qū)動器接受的模擬控制信號，范圍一般為-10V-10V。

　　RESET，ALM，ENABLE為控制信號，分別表示驅(qū)動器的復(fù)位，報警以及使能功能。

　　直流伺服驅(qū)動器通常具有速度控制模式和位置控制模式。

　　采用位置模式時，輸入控制信號為脈沖和方向（或是正負(fù)脈沖），采用速度模式時，輸入控制信號為模擬量。驅(qū)動器將輸入信號轉(zhuǎn)化為速度控制信號，經(jīng)過速度控制器轉(zhuǎn)化為電流控制信號，電流信號通過PWM回路作用于功率擴(kuò)大模塊的輸出模塊，最后施加給電機(jī)。

　　直流伺服驅(qū)動器采用IDM只能伺服驅(qū)動器。

　　IDM240/640是嵌入式智能、高精密、全數(shù)字化的伺服驅(qū)動器，可驅(qū)動方波或正弦波無刷伺服電機(jī)（PMSM），直流有伺服電機(jī)，通過CAN或RS-485接口可組成多達(dá)256個軸的分布式智能網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動系統(tǒng)，嵌入的高級可編程運(yùn)動語言（TML）提供各種高級運(yùn)動控制和plc專用功能。

　　主要特點(diǎn)如下 ：

　　分布式智能，單軸主控運(yùn)行或從動軸模式

　　控制模式：位置，速度，轉(zhuǎn)矩，電壓，外部變量

　　運(yùn)動模式：脈沖＋方向，電子齒輪，Profiling，Contouring

　　可編程保護(hù)：位置誤差，過流，過壓或欠壓，I2t，

　　DSP控制技術(shù)：基于MotionChipTM 技術(shù)

　　RS232/485串行接口，波特率可達(dá)115KB

　　CAN2.0局域總線，兼容CANopen，波特率可達(dá)1MHz

　　輸出電流：連續(xù)電流5A/8A，峰值電流16A，

　　電源電壓：12-48VDC（IDM240） ，12-48VDC（邏輯電源）/80V（電機(jī)）（IDM640）

　　緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計：136 x 84.5 x 26 mm

　　控制軟件采用Easy Motion Studio，控制軟件特點(diǎn)如下：

　　高級圖形化評估分析編程工具EasyMotion Studio平臺快速設(shè)置電機(jī)、驅(qū)動器參數(shù)及編程運(yùn)動程序，TML_LIB函數(shù)庫是智能化伺服驅(qū)動器在 PC上執(zhí)行運(yùn)動控制應(yīng)用的一個函數(shù)庫，在C/C++、Basic、Delphi、Labview開發(fā)的應(yīng)用程序中調(diào)用庫中的.DLL文件執(zhí)行后，能直接與驅(qū)動器通信、設(shè)置參數(shù)、查詢狀態(tài)、傳送命令、定義運(yùn)動事件，測試輸入輸出口狀態(tài)等。

　　Starter Kit for IDM640：包含驅(qū)動器的完整組件，包括一個IDM640驅(qū)動器，一個電機(jī)，一個I/O板，EasyMotion Studio軟件，以及應(yīng)用程序的幫助和完整文件。是測試您的運(yùn)動控制程序的理想實(shí)驗(yàn)平臺。如上所述均包含在一個可立即運(yùn)行、即插即用的組件中。

　　直流伺服電機(jī)包括如下組成部分：

　　定子：磁場—永磁體

　　轉(zhuǎn)子：電樞繞組

　　換向：換向器與碳刷

　　加于直流電機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機(jī)電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　　直流伺服優(yōu)點(diǎn)：

　　? 精確的速度控制

　　? 轉(zhuǎn)矩速度特性很硬

　　? 原理簡單、使用方便

　　? 價格優(yōu)勢

　　缺點(diǎn)：

　　? 電刷換向

　　? 速度限制

　　? 附加阻力

　　? 產(chǎn)生磨損微粒（對于無塵室）

　　TL494基本特征

　　TL494 的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個運(yùn)算放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖 2 是它的（ 功能） 管腳圖，其中 1 、2 腳是運(yùn)算放大器 I 的同相和反相輸入端; 3 腳是相位校正和增益控制; 4 腳為死區(qū)時間的整，其上加0 ～3.3V 電壓時可使截止時間從 2 % 線性變化到 100%;5 、6 腳分別用于外接振蕩電容和振蕩電阻; 7 腳為接地端;8 、9 腳和 1 1 、1 0 腳分別為 TL494 內(nèi)部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極;12 腳為電源供電端;13 腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接 1 4 腳時為推挽輸出方式;14 腳為 5 V 基準(zhǔn)電壓輸出端（VREF ），最大輸出電流 10mA;15 、1 6 腳是運(yùn)算放大器 I I 的反相和同相輸入端。

　　輸出脈沖的寬度調(diào)制是由電容 C T 兩端的正向鋸齒波和另外 2 個控制信號進(jìn)行比較后得到的。只有當(dāng)鋸齒波電壓小于 3 ，4 兩腳輸入的控制信號時，觸發(fā)器輸出的時鐘才處于低電平。因此，隨著控制信號幅值增加，輸出脈沖的寬度將減少。在死區(qū)時間，控制比較器的輸入端有 0.12V 的失調(diào)電壓，限制了輸出最小死區(qū)時間（約占一個周期的 4 ％）。TL494 內(nèi)部有 2 個誤差放大器EA1，EA2（腳 1 ，2 ，1 5 ，1 6 ）和一個反饋輸入端（腳 3 ）在使用時將反饋信號接入這些腳， 通過調(diào)節(jié)每個脈沖的占空比來穩(wěn)定輸出以及進(jìn)行各種保護(hù)。

　　電路結(jié)構(gòu)及工作原理

　　控制系統(tǒng)電路的構(gòu)成圖如圖 3 所示，對于要求在一定范圍內(nèi)無極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為方便，當(dāng)然這無法彌補(bǔ)電樞壓降所造成的轉(zhuǎn)速降低，可以通過電樞電流正反饋來補(bǔ)償，電樞電壓的改變可以通過使用 PWM 方法來實(shí)現(xiàn)，其主電路為圖4 所示。為了控制方便，采用單極性 PWM 調(diào)制方式，在左邊兩個管子的驅(qū)動脈沖 U b 1 =-U b 2 ，具有正負(fù)交替的脈沖波形，使 V T 1 和 V T 2 交替導(dǎo)通，右邊兩管 V T 3 和 V T 4 是由電機(jī)的轉(zhuǎn)向而確定的， 不同的轉(zhuǎn)向施加不同的直流控制信號，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，使 U b 3 恒為零，U b 4 恒為正，則V T 3 截止而V T 4 導(dǎo)通;電機(jī)反轉(zhuǎn)時，使 U b 3 恒為正而 U b 4恒為零，則VT 3 導(dǎo)通而 V T 4 截止; 電樞電壓等于

　　本調(diào)速系統(tǒng)采用電壓負(fù)反饋方式來跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端電壓成正比，所以電壓負(fù)反饋基本上能夠代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用，當(dāng)然需要考慮電樞壓降對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。 為了使該調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速性能上接近轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)，增加了電流正反饋措施，當(dāng)負(fù)載增大使靜態(tài)轉(zhuǎn)速降增加時，電流正反饋信號也增大，通過 TL494 的內(nèi)部誤差放大器和脈寬調(diào)制比較器等邏輯電路處理后，使輸出 PWM 波的占空比增加，從而使控制電壓隨之增加，從而補(bǔ)償了轉(zhuǎn)速的降落。這部分功能是由 TL494 一運(yùn)放組成比例放大器實(shí)現(xiàn)的，即將電流檢測的信號引到 TL494 的 2 腳。由于V T 1 、V T 2 是同一橋臂上的上下管，了防止直通現(xiàn)象出現(xiàn)，設(shè)置了死區(qū)控制時間，利用電阻 R79 和 R81 對 1 4腳為 5 V 基準(zhǔn)電壓（VREF ）的分壓，來獲得死區(qū)時間的設(shè)置。電機(jī)軟起動的實(shí)現(xiàn)，利用 TL494 的 4 腳（死區(qū)時間控制）的特點(diǎn)，和電阻 R81 、電容 C83 實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電源接通時，4 腳電壓為高電壓，沒有脈沖輸出，其電路如圖 5 所示，隨著對電容的充電，4 腳電壓逐步地降低，輸出脈沖的寬度也隨之增大。在 1 5 腳的電壓不變時，當(dāng)1 6 腳的電壓大于 1 5 腳電壓，運(yùn)放 I I （作比較用）輸出高電平，經(jīng)過 494 內(nèi)部的邏輯電路處理后，于是 8 、1 1腳無輸出，起到對電機(jī)起到過流保護(hù)作用，另外也將過流信號通過電阻 R84 加到死區(qū)控制腳。比例積分調(diào)節(jié)器是由 1 、2 腳輸入的運(yùn)放和外圍電阻、電容組成，電壓檢測信號連到 1 腳，因?yàn)楫?dāng) 2 腳給定電壓不變時，1 腳電壓的上升，會導(dǎo)致輸出脈沖寬度的減小，從而穩(wěn)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形分析

　　圖 6 、圖 7 是所做實(shí)驗(yàn)時 TL494 第 8 腳的輸出電壓波形，圖 6 是給定最大時的波形，由于考慮到死區(qū)時間的限制，及其他因素的影響，使系統(tǒng)能可靠工作，并沒有將占空比選的很大，圖 7 是在給定減少后所測的波形，從圖可知占空比相應(yīng)減少，在減少占空比時要考慮電機(jī)的出力能夠克服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 不然電機(jī)就會停止轉(zhuǎn)動，這是單極性控制時所需考慮的問題，當(dāng)然沒有雙極性控制時所出現(xiàn)的電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)仍在耗能狀況。由于 PWM 調(diào)制頻率高．不需平波電抗將就可得脈動很小的直流電流。動態(tài)速降小，恢復(fù)時間短，動態(tài)硬度好，轉(zhuǎn)矩脈動小，對普通直流電機(jī)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，調(diào)試簡便，也能獲得優(yōu)于晶閘管系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

　　結(jié)論

　　本文采用 TL494 器件實(shí)現(xiàn)單芯片單電源的直流伺服電機(jī)的 PWM 控制系統(tǒng)，它不僅電路簡單，可靠性能強(qiáng)，而且可以可靠的實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓和過壓等故障的保護(hù)。缺點(diǎn)是當(dāng)大幅度增減設(shè)定值，短時間系統(tǒng)出有很大的偏差，容易引起控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)等故障。