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伺服驱动系统工作原理
阜特科技内部讲义 讲师：谭勇
.
1
内容
基本概念 组成部分 工作原理
2
.
定义
“伺服”一词源于 希腊语“奴隶(SERVO)”的意思 。 伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，
能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化 的自动控制系统。 伺服是指装置跟随指令的能力，驱动是指它能通 过功率器件驱动电动机运转，所以，很多时候有 伺服驱动器、伺服驱动系统的说法。
旋变接口
17
.
接口说明
24V电源 输入，上 +下-。
CAN接口：从左到右分别为CAN-，CAN+，模拟地。
RS232接口：从左到右分别为机壳地，模拟地，232TX，232RX。
旋变接口：从左到右分别为EXC+，EXC-，SIN+，SIN-，COS+， COS-，模拟地，+5V输出。
18
.
工作原理
19
.
工作原理
直流伺服的依据
根据物理学的知识，我们 知道，位移是速度的积分，速 度是加速度的积分，为了达到 快速、精确的位置控制的目的， 控制器对速度和加速度都要快 速准确的响应。加速度和转矩 成正比，而转矩又正比于电流， 所以，我们要设计三个控制环， 分别对电流、速度和位置进行 控制。三个环的其中部分环或 全部参与控制，构成了伺服驱 动器的几种工作模式。
23
r(t)
e(t)
校正
-
y(t)
u(t)
G(s)
H (s)
.
工作原理
伺服驱动系统通常设计成三闭环控制器，三闭 环是指电流环、速度环和位置环。
设计成三闭环是为了达到能动态响应的目的， 电流环能快速跟踪电流指令，速度环快速跟随 速度指令，位置环对执行机构进行精确的定位。
24
.
工作原理
下图为伺服驱动系统的三闭环控制原理框图； 控制器包含ACR、ASR、APR三个控制环； 外环的输出作为内环的输入； 可以达到快速响应电流、速度和位置的目的。
3
.
主要功能
采样：对指令、电流、速度、温度等模拟信号 进行采样，以便微处理单元（MCU）能对它 进行计算处理。
计算：对模拟信号进行滤波处理；根据接收的 数字信号、模拟采样结果等，进行变换、计算 及处理，得到输出信号，用于功率驱动。
4
.
主要功能
驱动控制：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 的力矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。
6
.
组成——以我们的伺服为例
伺服驱动系统由机械及电子两部分组成。
机械部分是指其外壳、底板、支撑件及连接件 等。
电子部分包括硬件及软件。
硬件通常由控制处理电路、信号驱动电路、功 率驱动电路、检测、保护及主电路等组成。
伺服系统的所有功能都是软件配合硬件一起完 成的。
7
.
外形图
8
.
外形图
9
通讯功能：通常有RS485、CAN、数字IO、 模拟IO等接口功能，使其能和其它控制设备进 行信息交换。
5
.
主要功能
编码器接口：为了便于和编码器的连接，一些 伺服驱动器具有编码器接口功能。
旋转变压器接口：一些伺服驱动器的使用条件 比较恶劣，要求采用旋转变压器作为速度或位 置反馈部件，此时，需要具有旋转变压器接口 功能。
电流检测
速度/位置 检测
ia ib
保护电路
电源
22
.
工作原理
伺服驱动系统是典型的反馈控制系统，它遵循 反馈控制系统的一般规律。
下图是一个典型的反馈控制系统。
r(t)为给定量，y(t)为反馈量，e(t)为误差信号， u(t)为输出量，G(s)为被控对象的S模型，H(s) 为反馈滤波器的传递函数。
20
r(t)
e(t)
-
y(t)
校正 H (s)
u(t)
G(s)
为了能快速准确的响应，控
制环都设计成闭环，即反馈控制
环，如上图所示，G(s)为被控对
象的模型函数，H(s)为反馈通道
的传递函数。r(t)输入，u(t)是输
出。
.
工作原理
随着微电子技术、电力电子技术，嵌入式 计算技术的进步，现代的伺服系统大多设 计为数字伺服系统。
数字伺服系统需要硬件和软件配合来完成 伺服系统的所需的功能。
硬件是伺服系统的骨架，软件是伺服系统 的灵魂，通常，硬件是给伺服系统实现功 能提供了条件，软件实现具体的算法。
21
.
工作原理
右图是一 R
个典型的
S T
伺服驱动
Baidu Nhomakorabea
系统硬件
原理框图。
整流滤 波电路
通讯接 口
IGBT/IPM
Motor
隔离及驱动电路 MCU CPLD
θref
nref
APR
-
-
Iref
ASR -
U1I
ACR
Rs Ls
Ki Kv
1 ωr Jzs 1
1θ is
25
.
工作原理
设计伺服驱动系统的关键任务之一，是要设计 合适的控制器（调节器）；
地址编码
复位按钮
12
数字IO
485接口 LED指示灯
.
接口说明
地址编码：从左到右是 高位到低位，能表示015个地址码。
数字IO：从左到右 分别是OSD00和 24V地。
13
.
接口说明
数字IO：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出，空位， 模拟指令- ，模拟指令+，数字输出信号OSD01 ，电机报警信号 MOTORALARM，伺服就绪信号SVREADY，数字输入ISD00，ISD01， START ，ENP0。
.
接口说明
L1 L2 L3 PE
三相交流电源输入口（线电压275V±10%）L1 - L2 - L3，机壳地PE；
10
.
接口说明
U V W RB+ RB- ZK+ ZK- PE
功率输出接口U,V,W；泄放电阻接口RB+,RB-； 吸收电容接口ZK+,ZK-；机壳地PE；
11
.
接口说明
PT100
14
.
接口说明
485接口：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出， 机壳地，模拟地，485B，485A。
15
.
接口说明
LED指示灯：由红黄绿三种颜色的指 示灯的各种组合来指示伺服系统运行 中的状态，详细的说明见产品使用说 明书。
16
.
接口说明
24V 电源 输入
CAN接口 RS232接口
直流伺服的依据
等效电路如右所示，直 流电机的电压平衡公式 如右所示，R为电机绕 组等效电阻，L为电机绕 组等效电感，e为感应电 动势。
u
R
L
u Ri L di e dt
Motor
当电压平衡时，又由于电阻比较小，u≈e。e跟电机本身有关，当电机选定 后，和转速成正比，所以，控制电压就相当于控制了转速。因此，调速的 依据是改变加在电机绕组上的电压。
阜特科技内部讲义 讲师：谭勇
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1
内容
基本概念 组成部分 工作原理
2
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定义
“伺服”一词源于 希腊语“奴隶(SERVO)”的意思 。 伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，
能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化 的自动控制系统。 伺服是指装置跟随指令的能力，驱动是指它能通 过功率器件驱动电动机运转，所以，很多时候有 伺服驱动器、伺服驱动系统的说法。
旋变接口
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接口说明
24V电源 输入，上 +下-。
CAN接口：从左到右分别为CAN-，CAN+，模拟地。
RS232接口：从左到右分别为机壳地，模拟地，232TX，232RX。
旋变接口：从左到右分别为EXC+，EXC-，SIN+，SIN-，COS+， COS-，模拟地，+5V输出。
18
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工作原理
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工作原理
直流伺服的依据
根据物理学的知识，我们 知道，位移是速度的积分，速 度是加速度的积分，为了达到 快速、精确的位置控制的目的， 控制器对速度和加速度都要快 速准确的响应。加速度和转矩 成正比，而转矩又正比于电流， 所以，我们要设计三个控制环， 分别对电流、速度和位置进行 控制。三个环的其中部分环或 全部参与控制，构成了伺服驱 动器的几种工作模式。
23
r(t)
e(t)
校正
-
y(t)
u(t)
G(s)
H (s)
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工作原理
伺服驱动系统通常设计成三闭环控制器，三闭 环是指电流环、速度环和位置环。
设计成三闭环是为了达到能动态响应的目的， 电流环能快速跟踪电流指令，速度环快速跟随 速度指令，位置环对执行机构进行精确的定位。
24
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工作原理
下图为伺服驱动系统的三闭环控制原理框图； 控制器包含ACR、ASR、APR三个控制环； 外环的输出作为内环的输入； 可以达到快速响应电流、速度和位置的目的。
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主要功能
采样：对指令、电流、速度、温度等模拟信号 进行采样，以便微处理单元（MCU）能对它 进行计算处理。
计算：对模拟信号进行滤波处理；根据接收的 数字信号、模拟采样结果等，进行变换、计算 及处理，得到输出信号，用于功率驱动。
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主要功能
驱动控制：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 的力矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。
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组成——以我们的伺服为例
伺服驱动系统由机械及电子两部分组成。
机械部分是指其外壳、底板、支撑件及连接件 等。
电子部分包括硬件及软件。
硬件通常由控制处理电路、信号驱动电路、功 率驱动电路、检测、保护及主电路等组成。
伺服系统的所有功能都是软件配合硬件一起完 成的。
7
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外形图
8
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外形图
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通讯功能：通常有RS485、CAN、数字IO、 模拟IO等接口功能，使其能和其它控制设备进 行信息交换。
5
.
主要功能
编码器接口：为了便于和编码器的连接，一些 伺服驱动器具有编码器接口功能。
旋转变压器接口：一些伺服驱动器的使用条件 比较恶劣，要求采用旋转变压器作为速度或位 置反馈部件，此时，需要具有旋转变压器接口 功能。
电流检测
速度/位置 检测
ia ib
保护电路
电源
22
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工作原理
伺服驱动系统是典型的反馈控制系统，它遵循 反馈控制系统的一般规律。
下图是一个典型的反馈控制系统。
r(t)为给定量，y(t)为反馈量，e(t)为误差信号， u(t)为输出量，G(s)为被控对象的S模型，H(s) 为反馈滤波器的传递函数。
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r(t)
e(t)
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y(t)
校正 H (s)
u(t)
G(s)
为了能快速准确的响应，控
制环都设计成闭环，即反馈控制
环，如上图所示，G(s)为被控对
象的模型函数，H(s)为反馈通道
的传递函数。r(t)输入，u(t)是输
出。
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工作原理
随着微电子技术、电力电子技术，嵌入式 计算技术的进步，现代的伺服系统大多设 计为数字伺服系统。
数字伺服系统需要硬件和软件配合来完成 伺服系统的所需的功能。
硬件是伺服系统的骨架，软件是伺服系统 的灵魂，通常，硬件是给伺服系统实现功 能提供了条件，软件实现具体的算法。
21
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工作原理
右图是一 R
个典型的
S T
伺服驱动
Baidu Nhomakorabea
系统硬件
原理框图。
整流滤 波电路
通讯接 口
IGBT/IPM
Motor
隔离及驱动电路 MCU CPLD
θref
nref
APR
-
-
Iref
ASR -
U1I
ACR
Rs Ls
Ki Kv
1 ωr Jzs 1
1θ is
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工作原理
设计伺服驱动系统的关键任务之一，是要设计 合适的控制器（调节器）；
地址编码
复位按钮
12
数字IO
485接口 LED指示灯
.
接口说明
地址编码：从左到右是 高位到低位，能表示015个地址码。
数字IO：从左到右 分别是OSD00和 24V地。
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接口说明
数字IO：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出，空位， 模拟指令- ，模拟指令+，数字输出信号OSD01 ，电机报警信号 MOTORALARM，伺服就绪信号SVREADY，数字输入ISD00，ISD01， START ，ENP0。
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接口说明
L1 L2 L3 PE
三相交流电源输入口（线电压275V±10%）L1 - L2 - L3，机壳地PE；
10
.
接口说明
U V W RB+ RB- ZK+ ZK- PE
功率输出接口U,V,W；泄放电阻接口RB+,RB-； 吸收电容接口ZK+,ZK-；机壳地PE；
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接口说明
PT100
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接口说明
485接口：从左到右分别是伺服使能信号24V地，24V电源输出， 机壳地，模拟地，485B，485A。
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接口说明
LED指示灯：由红黄绿三种颜色的指 示灯的各种组合来指示伺服系统运行 中的状态，详细的说明见产品使用说 明书。
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接口说明
24V 电源 输入
CAN接口 RS232接口
直流伺服的依据
等效电路如右所示，直 流电机的电压平衡公式 如右所示，R为电机绕 组等效电阻，L为电机绕 组等效电感，e为感应电 动势。
u
R
L
u Ri L di e dt
Motor
当电压平衡时，又由于电阻比较小，u≈e。e跟电机本身有关，当电机选定 后，和转速成正比，所以，控制电压就相当于控制了转速。因此，调速的 依据是改变加在电机绕组上的电压。