伺服系統設計簡介

伺服技術之發展

Development of Servo Technology

鄒應嶼 教 授

交通大學 電力電子晶片設計與DSP控制實驗室

20041122

Technical Report: TR-SV01.伺服技術之發展


Servo System Design is a Key Technology for Precision Motion Control!


前  言

  隨著資訊、通訊、與自動化技術的進展,各式各樣的自動控制裝置逐漸進入了人們的生活。網路通訊技術不單是對人們提供了方便的通訊管道,事實上也替各式各樣的電子裝置提供了簡易可靠的通訊管道,藉由新式的網路通訊技術與計算功能強大數位信號處理晶片(DSP),可以發展出各種影具有基本智慧的資訊家電設備(smart information appliance),例如可以幫忙清潔工作的機器人、可供娛樂的電子機械寵物等等。這些結合機械、電子、通訊、控制、資訊技術整合裝置的核心部分就是具有網路介面的伺服系統控制器(network servo controller)。伺服技術已廣泛的應用於我們的日常生活,例如光碟機光學讀取頭的伺服控制、遙控飛機的機翼控制、數位相機的自動對焦控制、具有影像追蹤功能的網路攝影監控系統、汽車自動巡弋駕駛等等。伺服系統設計範圍涵蓋廣泛,

摘  要

  本文對伺服系統的發展歷程作一個系統化的介紹,同時也介紹一些伺服系統的基本觀念、伺服系統設計方法、以及一些設計伺服系統時所必須考慮的實務問題,延伸閱讀可參考所列的參考文獻。

1. 簡介

伺服系統 — 機電系統整合的關鍵技術

  『伺服機構系統』源自servomechanism system,係指經由閉迴路控制方式達到一個機械系統位置、速度、或加速度控制的系統。一個伺服系統的構成通常包含受控體(plant)、致動器(actuator)、控制器(controller)等幾個部分,受控體係指被控制的物件,例如一格機械手臂,或是一個機械工作平台。致動器的功能在於主要提供受控體的動力,可能以氣壓、油壓、或是電力驅動的方式呈現,若是採用油壓驅動方式,一般稱之為油壓伺服系統。目前絕大多數的伺服系統採用電力驅動方式,致動器包含了馬達與功率放大器,特別設計應用於伺服系統的馬達稱之為伺服馬達(servo motor),通常內含位置回授裝置,如光電編碼器(optical encoder)或是解角器(resolver),目前主要應用於工業界的伺服馬達包括直流伺服馬達、永磁交流伺服馬達、與感應交流伺服馬達,其中又以永磁交流伺服馬達佔絕大多數。控制器的功能在於提供整個伺服系統的閉路控制,如扭矩控制、速度控制、與位置控制等。目前一般工業用伺服驅動器(servo drive)通常包含了控制器與功率放大器。

  一個傳統伺服機構系統的組成如圖1所示,伺服驅動器主要包含功率放大器與伺服控制器,伺服控制器通常包含速度控制器與扭矩控制器,馬達通常提供類比式的速度回授信號,控制界面採用±10V的類比訊號,經由外迴路的類比命令,可直接控制馬達的轉速或扭矩。採用這種伺服驅動器,通常必須再加上一個位置控制器(position controller),才能完成位置控制。圖2所示是一個現代的伺服機構系統架構圖,其中的伺服驅動器包含了伺服控制器與功率放大器,伺服馬達提供解析度的光電編碼器回授信號。

1. 一個傳統伺服機構系統的組成

2. 現代伺服機構系統的組成

多軸運動控制系統

  精密伺服系統多應用於多軸運動控制系統,如工業機器人、工具機、電子零件組裝系統、PCB自動差建機等等。圖3所示是一個運動控制平台的方塊圖,工作物件的位置控制可藉由平台的移動來達成,平台位置的偵測有兩種方式,一種是藉由伺服馬達本身所安裝的光電編碼器,由於是以間接的方式回授工作物件的位置,再藉由閉迴路控制達到位置控制的目的,因此也稱之為間接位置控制(indirect position control)。另一種方式是直接將位置感測元件安裝在平台上,如光學尺、雷射位置感測計等等,直接回授工作物件的位置,再藉由閉迴路控制達到位置控制的目的,稱之為直接位置控制(direct position control)

  一個多軸運動控制系統由高階的運動控制器(motion controller)與低階的伺服驅動器(servo drive)所組成,運動控制器負責運動控制命令解碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等,其主要關鍵在於降低整體系統運動控制的路徑誤差;伺服驅動器負責伺服馬達的位置控制,主要關鍵在於降低伺服軸的追隨誤差。圖5所示是一個雙軸運動控制系統的簡化控制方塊圖,在一般的情況下x-軸與y-軸的動態響應特性會有相當大的差異,在高速輪廓控制時(contouring control),會造成顯著的誤差,因此必須設計一個運動控制器以整體考量的觀點解決此一問題。

3. 雙軸運動控制系統

4. 雙軸運動控制系統的簡化控制方塊圖

網路分散式伺服系統

  隨著網路通訊技術的進步,採用即時網路通訊技術的伺服系統也隨之發展,圖5所示是利用SERCOS即時通訊網路技術(real-time network communication)所發展的網路控制分散式伺服系統,目前已有多種採用不通訊協定的分散式運動控制系統,如SERCOSReal-Time EthernetReal-Time CAN bus。應用高速網路技術於分散式伺服系統有許多優點,諸如更靈活的系統應用、更佳的系統整合控制效果等等。

5. 網路控制分散式伺服系統

伺服系統綜效整合技術的本質

  伺服系統具有綜效技術(synergy technology)的本質。伺服系統設計必須整合多項關鍵技術,如自動控制、運動控制、數位控制、馬達控制、電力電子、微處理器軟硬體設計等等,伺服系統設計工程師必須針對系統的應用需求,整合多項不同的技術,而此一系統整合的特質,會隨著微電子技術的進展,更明顯的以『即時多工韌體控制技術』的方式呈現。

6. 伺服系統的整合

伺服系統的階層式控制架構

  伺服系統具有綜效技術(synergy technology)的本質。伺服系統設計必須整合多項關鍵技術,如自動控制、運動控制、數位控制、馬達控制、電力電子、微處理器軟硬體設計等等,伺服系統設計工程師必須針對系統的應用需求,整合多項不同的技術,而此一系統整合的特質,會隨著微電子技術的進展,更明顯的以『即時多工韌體控制技術』的方式呈現。

7. 伺服系統的階層式控制架構

8. 伺服系統的環狀多迴路控制架構

9. 現代伺服系統的階層式控制介面

10. 直流伺服驅動器的系統方塊圖

11. 交流伺服驅動器的系統架構圖

12. 泛用型伺服驅動器的系統架構圖

2. 伺服控制技術的發展

  伺服機構理論(servomechansim theory)緣起於於二次世界大戰期間,美國國防部為了發展具有自動控制功能的雷達追蹤系統,委託麻省理工學院發展機械系統的閉迴路控制技術,此一發展奠定了後來伺服機構理論的基礎。微處理器的發展,不僅帶動了資訊產業的發展,也間接帶動了伺服驅動技術的發展。 

13. 一個典型閉迴路控制系統的方塊圖

環狀多回路控制架構

  一個實際的伺服系統通常採用環狀多迴路控制架構,如圖14所示。此種控制架構,具有先天的解耦控制效果,可以分層負責的完成一個伺服系統中所需要的位置、速度、加速度控制。

14. 伺服系統的環狀多回路控制架構 

15. 一個典型的多迴路直流伺服系統控制方塊圖

16. 實用的工業數位伺服控制法則

17. 伺服馬達驅動系統的自調控制架構

數位伺服控制技術的發展

  隨著高性能微處理器、數位信號處理器的發展,數位伺服控制技術已成為工業伺服系統的主流。

18. 數位馬達控制技術的演進

DSP數位伺服控制技術的發展

  DSP可視為一個具有強大計算能力的微處理器,舉凡微處理器可以應用的場合,如需要更快速的計算能力,則可考慮使用DSP。但值得注意的是,單晶片微控器(microcontroller)已廣泛應用於工業控制領域,其關鍵主要在於完整的I/O界面,而一般的DSP並不具備這些功能。但近年來,已發展出特別針對伺服馬達控制的單晶片DSP控制器,例如德州儀器的TMS320F24xxTMS320F2812等等,不僅計算性能強大、具備馬達控制所需要的I/O界面,同時價格也相當便宜,因此直接帶動了以DSP為核心的DSP數位馬達控制技術的發展。

19. DSP為核心的伺服系統解決方案

20. DSP數位伺服驅動器的硬體電路圖 (TI Application Note)

  在工業控制的應用領域,如機器人控制、磁碟機與光碟機的控制、伺服控制等,採用DSP來實現數位控制器的主要著眼點即在於其快速的計算能力。由於DSP的快速計算能力,得以實現具有適應能力的伺服系統,採用DSP來實現需要複雜計算的數位控制系統,以達到高性能控制系統的需求即為未來發展的趨勢。

    重要的關鍵研究議題包括:

3. 電腦輔助伺服系統設計

  由於伺服系統設計包含多項不同技術的整合,因此也使得其設計過程顯得更為複雜。如何利用電腦輔助設計與即時線上控制模擬成為現代伺服系統設計重要的方法。

21. 伺服馬達驅動系統的整合設計方案

  重要的關鍵研究議題包括:

4. 伺服系統設計的一些實務問題

  一個現代的伺服系統的設計包含了機械設計、馬達控制、電力電子、伺服控制、運動控制、程式設計、網路通訊協定、雜訊防制、實務應用等技術與經驗,其核心技術在於整合微電子與電力電子技術實現伺服控制技術,一些重要的實務設計考量包括:

5. 結 語

  任何會動的東西都需要控制,電力驅動仍將是未來主要的驅動方式,隨著微機電、電力電子、網路通訊技術的發展,各種形式的微小馬達將可以經由有線的、無線的、電力線的網路通訊技術予以連接,伺服技術將進一步結合微電子與電力電子技術以韌體控制的方式呈現,伺服技術的發展也將朝向單晶片控制、智慧控制、網路連線的方向發展,未來智慧型電子寵物、家庭機器人的市場需求,將進一步促進伺服技術的發展,具有網路介面智慧型伺服控制晶片是一個值得投入研發的領域。


台灣新竹交通大學電力電子晶片設計與DSP控制實驗室
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TR-SV01.伺服技術之發展

Last update: 2004/10/31