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行业新闻

伺服技术的发展

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。随着资讯、通讯、与自动化技术的进展,各式各样的自动控制装置逐渐进入了人们的生活。 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。网路通讯技术不单是对人们提供了方便的通讯管道,事实上也替各式各样的电子装置提供了简易可靠的通讯管道,藉由新式的网路通讯技术与计算功能强大数位信号处理晶片(DSP) ,可以发展出各种影具有基本智慧的资讯家电设备(smart information appliance) ,例如可以帮忙清洁工作的机器人、可供娱乐的电子机械宠物等等。 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) 这些结合机械、电子、通讯、控制、资讯技术整合装置的核心部分就是具有网路介面的伺服系统控制器(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。伺服技术已广泛的应用于我们的日常生活,例如光碟机光学读取头的伺服控制、遥控飞机的机翼控制、数位相机的自动对焦控制、具有影像追踪功能的网路摄影监控系统、汽车自动巡弋驾驶等等。 伺服系統設計範圍涵蓋廣泛,伺服系统设计范围涵盖广泛,

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。本文对伺服系统的发展历程作一个系统化的介绍,同时也介绍一些伺服系统的基本观念、伺服系统设计方法、以及一些设计伺服系统时所必须考虑的实务问题,延伸阅读可参考所列的参考文献。

1.简介

伺服系統機電系統整合的關鍵技術 伺服系统机电系统整合的关键技术

『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。 『伺服机构系统』源自servomechanism system ,系指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统。 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。一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant) 、致动器(actuator) 、控制器(controller)等几个部分,受控体系指被控制的物件,例如一格机械手臂,或是一个机械工作平台。 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。致动器的功能在于主要提供受控体的动力,可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现,若是采用油压驱动方式,一般称之为油压伺服系统。 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。目前绝大多数的伺服系统采用电力驱动方式,致动器包含了马达与功率放大器,特别设计应用于伺服系统的马达称之为伺服马达(servo motor) ,通常内含位置回授装置,如光电编码器(optical encoder)或是解角器(resolver) ,目前主要应用于工业界的伺服马达包括直流伺服马达、永磁交流伺服马达、与感应交流伺服马达,其中又以永磁交流伺服马达占绝大多数。 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。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭路控制,如扭矩控制、速度控制、与位置控制等。 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。目前一般工业用伺服驱动器(servo drive)通常包含了控制器与功率放大器。

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。一个传统伺服机构系统的组成如图1所示,伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器,伺服控制器通常包含速度控制器与扭矩控制器,马达通常提供类比式的速度回授信号,控制界面采用±10V的类比讯号,经由外回路的类比命令,可直接控制马达的转速或扭矩。 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。采用这种伺服驱动器,通常必须再加上一个位置控制器(position controller) ,才能完成位置控制。 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。图2所示是一个现代的伺服机构系统架构图,其中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器,伺服马达提供解析度的光电编码器回授信号。

多轴运动控制系统

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。精密伺服系统多应用于多轴运动控制系统,如工业机器人、工具机、电子零件组装系统、 PCB自动差建机等等。 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) 图3所示是一个运动控制平台的方块图,工作物件的位置控制可藉由平台的移动来达成,平台位置的侦测有两种方式,一种是藉由伺服马达本身所安装的光电编码器,由于是以间接的方式回授工作物件的位置,再藉由闭回路控制达到位置控制的目的,因此也称之为间接位置控制(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) 另一种方式是直接将位置感测元件安装在平台上,如光学尺、雷射位置感测计等等,直接回授工作物件的位置,再藉由闭回路控制达到位置控制的目的,称之为直接位置控制(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。一个多轴运动控制系统由高阶的运动控制器(motion controller)与低阶的伺服驱动器(servo drive)所组成,运动控制器负责运动控制命令解码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等,其主要关键在于降低整体系统运动控制的路径误差;伺服驱动器负责伺服马达的位置控制,主要关键在于降低伺服轴的追随误差。 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。5所示是一个双轴运动控制系统的简化控制方块图,在一般的情况下x-轴与y-轴的动态响应特性会有相当大的差异,在高速轮廓控制时(contouring control),会造成显著的误差,因此必须设计一个运动控制器以整体考量的观点解决此一问题。


网路分散式伺服系统

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SERCOS Real-Time Ethernet Real-Time CAN bus 随着网路通讯技术的进步,采用即时网路通讯技术的伺服系统也随之发展,图5所示是利用SERCOS即时通讯网路技术(real-time network communication)所发展的网路控制分散式伺服系统,目前已有多种采用不通讯协定的分散式运动控制系统,如SERCOS 、 Real-Time Ethernet 、 Real-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。应用高速网路技术于分散式伺服系统有许多优点,诸如更灵活的系统应用、更佳的系统整合控制效果等等。

伺服系统综效整合技术的本质

伺服系統具有綜效技術(synergy technology)的本質。伺服系统具有综效技术(synergy technology)的本质。 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。伺服系统设计必须整合多项关键技术,如自动控制、运动控制、数位控制、马达控制、电力电子、微处理器软硬体设计等等,伺服系统设计工程师必须针对系统的应用需求,整合多项不同的技术,而此一系统整合的特质,会随着微电子技术的进展,更明显的以『即时多工韧体控制技术』的方式呈现。


伺服系统的阶层式控制架构

伺服系統具有綜效技術(synergy technology)的本質。伺服系统具有综效技术(synergy technology)的本质。 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。伺服系统设计必须整合多项关键技术,如自动控制、运动控制、数位控制、马达控制、电力电子、微处理器软硬体设计等等,伺服系统设计工程师必须针对系统的应用需求,整合多项不同的技术,而此一系统整合的特质,会随着微电子技术的进展,更明显的以『即时多工韧体控制技术』的方式呈现。


伺服控制技术的发展

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。伺服机构理论(servomechansim theory)缘起于于二次世界大战期间,美国国防部为了发展具有自动控制功能的雷达追踪系统,委托麻省理工学院发展机械系统的闭回路控制技术,此一发展奠定了后来伺服机构理论的基础。 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。微处理器的发展,不仅带动了资讯产业的发展,也间接带动了伺服驱动技术的发展。


环状多回路控制架构

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。一个实际的伺服系统通常采用环状多回路控制架构,如图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。此种控制架构,具有先天的解耦控制效果,可以分层负责的完成一个伺服系统中所需要的位置、速度、加速度控制。



數位伺服控制技術的發展 数位伺服控制技术的发展

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。随着高性能微处理器、数位信号处理器的发展,数位伺服控制技术已成为工业伺服系统的主流。


DSP數位伺服控制技術的發展 DSP数位伺服控制技术的发展

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 。 DSP可视为一个具有强大计算能力的微处理器,举凡微处理器可以应用的场合,如需要更快速的计算能力,则可考虑使用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。但值得注意的是,单晶片微控器(microcontroller)已广泛应用于工业控制领域,其关键主要在于完整的I/O界面,而一般的DSP并不具备这些功能。 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TMS320F24xx 、 TMS320F2812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。但近年来,已发展出特别针对伺服马达控制的单晶片DSP控制器,例如德州仪器的TMS320F24xx 、 TMS320F2812等等,不仅计算性能强大、具备马达控制所需要的I/O界面,同时价格也相当便宜,因此直接带动了以DSP为核心的DSP数位马达控制技术的发展。

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。在工业控制的应用领域,如机器人控制、磁碟机与光碟机的控制、伺服控制等,采用DSP来实现数位控制器的主要着眼点即在于其快速的计算能力。 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。由于DSP的快速计算能力,得以实现具有适应能力的伺服系统,采用DSP来实现需要复杂计算的数位控制系统,以达到高性能控制系统的需求即为未来发展的趋势。

重要的關鍵研究議題包括:重要的关键研究议题包括:

·         以單晶片DSP為核心的數位伺服控制技術 以单晶片DSP为核心的数位伺服控制技术

·         即時網路通訊技術應用於數位運動控制系統 即时网路通讯技术应用于数位运动控制系统

·         適應型伺服控制技術 适应型伺服控制技术

·         可程式數位式伺服控制IC的發展 可程式数位式伺服控制IC的发展

3.電腦輔助伺服系統設計 3.电脑辅助伺服系统设计

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。由于伺服系统设计包含多项不同技术的整合,因此也使得其设计过程显得更为复杂。 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。如何利用电脑辅助设计与即时线上控制模拟成为现代伺服系统设计重要的方法。


重要的關鍵研究議題包括:重要的关键研究议题包括:

·         DSP 結合 MATLAV/SIMULINK 的系統化設計方法與實現技術 DSP 结合 MATLAV/SIMULINK 的系统化设计方法与实现技术

·         即時線上控制模擬 即时线上控制模拟

·         電腦輔助伺服系統設計工具的發展 电脑辅助伺服系统设计工具的发展

4.伺服系統設計的一些實務問題 4.伺服系统设计的一些实务问题

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:一个现代的伺服系统的设计包含了机械设计、马达控制、电力电子、伺服控制、运动控制、程式设计、网路通讯协定、杂讯防制、实务应用等技术与经验,其核心技术在于整合微电子与电力电子技术实现伺服控制技术,一些重要的实务设计考量包括:

·         高解析度光電編碼器的介面電路設計 高解析度光电编码器的介面电路设计

·         如何從增量回授信號計算轉速? 如何从增量回授信号计算转速?

·         伺服系統的頻寬要求 伺服系统的频宽要求

·         功率放大器電壓輸出與電流輸出對伺服系統頻寬所造成的限制 功率放大器电压输出与电流输出对伺服系统频宽所造成的限制

·         數位伺服系統採用定點或是浮點運算? 数位伺服系统采用定点或是浮点运算?

·         控制迴路取樣頻率的選擇? 控制回路取样频率的选择?

·         電流回授信號的的取樣方式與ADC轉換器的解析度要求為何? 电流回授信号的的取样方式与ADC转换器的解析度要求为何?

5.結語 5.结语

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。任何会动的东西都需要控制,电力驱动仍将是未来主要的驱动方式,随着微机电、电力电子、网路通讯技术的发展,各种形式的微小马达将可以经由有线的、无线的、电力线的网路通讯技术予以连接,伺服技术将进一步结合微电子与电力电子技术以韧体控制的方式呈现,伺服技术的发展也将朝向单晶片控制、智慧控制、网路连线的方向发展,未来智慧型电子宠物、家庭机器人的市场需求,将进一步促进伺服技术的发展,具有网路介面智慧型伺服控制晶片是一个值得投入研发的领域。

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