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基于伺服驱动器的控制系统设计

作者：王晓博 宋胜利

来源：《农家科技中旬刊》2017年第09期

摘 要：伺服驱动器由上位机给定指令脉冲，本身自带下位机，内置PLC功能，通过DSP的整定计算，通过位置环、速度环、电流环及其增益的设置，刚性的匹配，实现高精度控制的系统。

关键词：伺服驱动器；编码器；上位机

伺服驱动器作为一种新生力量，正在为以后更加复杂的工况生产提供有力的技术保证，现在来说伺服驱动器已经有了取代变频器的趋势，它在变频器的基础上加了更多的智能的控制系统和反馈装置，尤其是编码器的增加，作为电机的事实反馈，尤其在适用于精密加工的位置控制模式，能够更加精准的定位和生产。 1.硬件电路组成

（1）伺服驱动器三相电源过来后经过整流、滤波、逆变把三相电源变成我们所需要的可控的交流电，就是一个非常典型的交-直-交，可以根据需要通过对PWM波形的控制实现电机的智能运转。主要组成部分为整流桥、泄放模块、逆变模块、开关电源、驱动电路、霍尔电路等。

（2）伺服驱动器外接电路由通讯及上位机外接口，电源干扰处理，其它外接电路组成。 （3）电机的选择

伺服驱动器通常匹配电机为永磁同步电机或者异步伺服电机。为了满足需要高精度控制的工况场合，本设计选用永磁同步电机。 （4）编码器的选择

绝对值型编码器有一个绝对的物理零点，转一圈的话为103072个脉冲数，在确定机械原点等设定比较方便，所以我们一般选择绝对值型编码器。 2.软件部分 （1）位置控制模式

位置控制模式通常用于要求控制精度较高的场所，有外部模拟量控制模式和内部寄存器控制模式。

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（2）速度模式

速度模式多数应用于精密CNC加工行业，伺服驱动器有两种速度模式：模拟量输入模式以及内部寄存器速度模式。 （3）转矩模式

转矩模式同样也分为外部模拟量转矩模式和内部寄存器转矩模式。和外部模拟量控制是一样的道理，0～10V的模拟量来实现转矩从0到设置最大值的一个对应上位机的输入驱动器的输出关系。

3.控制系统的保护设计

再精密的控制也离不开保护电路的设计，一般伺服驱动器自带保护有过压保护、硬件过流保护、霍尔过流保护、过载保护、过热保护、堵转保护等。另外还有配合控制系统的位置环跟踪误差过大保护、编码器断线保护、超程保护、全闭环混合误差过大保护、电子凸轮错误保护、寻找原点超时保护等。 4.系统组成及调试 （1）调试电路部分组成

针对于伺服系统软件进行龙门同步调试功能，CN1通讯口接个人电脑，CN3接CNC系统，控制主轴电机和从轴电机运动。都工作在外部位置模式，通过CNC发送低速脉冲指令，针对于可读可写的参数通过上位机给定。伺服驱动器选择4.5kW，编码器选择欧姆龙E6A2-CW3C系列。系统调试电路如图1所示： （2）上位机调试运行

以工况上典型的龙门同步功能为例，按照上述接线电路接好线后，进行参数的设定以及针对电机参数的一个调试，分别设定龙门同步反馈来源，选择高速计数器1，设定龙门同步增益，选择适合的刚性，保证跟随性。设定龙门同步误差报警脉冲数，根据本体和从轴编码器线数确定反馈比例。

用示波器检测驱动器输出侧的电流波形，看电流波形输出情况，电流波形可以看出没有明显波动，而且额载下输出电流值达到额定电流值，如图2所示： （3）跟随性检测调试

用上位机观测速度波动，防止误差过大，导致跳保护，选用通讯口CN1检测，速度波动10rpm在设计允许范围内。

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5.调试结果分析

从结果来看，本体和从轴能朝着一个方向运行，连带着丝杠稳速运行，脉冲反馈高速计数器值所对应的脉冲数在允许范围内，没有超过误差报警脉冲数，对应转速波动很小，刚性匹配适合，对应惯量在5倍以内，没有发生异常情况，在编码器反馈来看，控制精度不是很高，这个主要是编码器的控制精度决定的。 参考文献：

[1]桥璐，景林，韩英桃.一种实用的步进电动机驱动器设计[J].微特电机，2015，（8）. [2]刘强.高性能机械伺服系统运动控制技术综述[J].电机与控制学报，2008，（5）.