位置伺服系統(tǒng)的基本結構形式

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1、位置伺服系統(tǒng)的基本結構形式 ??? 隨著現代科學技術的飛速發(fā)展，特別是微電子、計算機、電力半導體和電機制造技術取得 的巨大技術進步，使得位置伺服這樣一種扮演重要支柱技術角色的自動控制系統(tǒng)，在許多高科 技領域得到了非常廣泛的應用，如激光加工、機器人、數控機床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自 動化設備、雷達和各種軍用武器隨動系統(tǒng)、以及柔性制造系統(tǒng)(FMS——FlexibleManufacturing Systetn）等等。它的控制性能，對這些高科技的發(fā)展正起著越來越關鍵的作用?！? ??? 位置伺服系統(tǒng)是一種與普通電動機調速系統(tǒng)有著緊密聯系但又有明顯不同的系統(tǒng)。一般 說來，人們對調速系統(tǒng)的要

2、求是希望有足夠的調速范圍、穩(wěn)速精度和快且平穩(wěn)的啟、制動性能。 系統(tǒng)工作時，都是以一定的速度精度、穩(wěn)定在調速范圍內某一固定的轉速上運行的，系統(tǒng)的主 要控制目標，是使轉速盡量不受負載變化、電源電壓波動及環(huán)境溫度變化等千擾因素的影響。 而位置何服系統(tǒng)，一般是以足夠的位置控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度(位置跟蹤誤差)和 足夠快的跟蹤速度來作為它的主要控制目標。系統(tǒng)運行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令 的變化， 因而系統(tǒng)中伺服電動機的運行速度常常是不斷變化的 服系統(tǒng)在跟蹤性能方面的 要求一般要比普通調速系統(tǒng)高且嚴格得多。 伺服(servo)這一術語，源于拉丁語，ervus，是“奴隸

3、 (slave）或奴仆(servant的意思。它 含有使機械像奴隸一樣忠實地按照命令動作的意義。因而，“以物體的位置、方位、姿勢等作為 被控量，使之能跟蹤目標值任意變化的控制系統(tǒng)”被定義為位置伺服系統(tǒng)(JIS—日本工業(yè)標 準定義)。 ??? 一個位置伺服系統(tǒng)，僅當它的指令形式呈斜坡畝數形式，即每單位時間移動的距離或轉過 的角度相等時，其運行與控制特性才與一個普通調速系統(tǒng)相似。 ??? 從廣義上講，位置伺服系統(tǒng)包括機械執(zhí)行機構和電氣自動控制兩大組成部分。例如，一個 數控機床的進給驅動位置伺服系統(tǒng)，它的機械執(zhí)行機構常包括工作臺(或刀架)、滾珠絲杠、導 軌和減速齒輪等等;電氣自動控

4、制部分則包括交流或直流伺服電動機、驅動功率放大器、反饋 檢測傳感器和控制調節(jié)器等等。根據應用場合和對控制性能要求的不同，位置伺服系統(tǒng)具有多 種不同的結構形式。按照系統(tǒng)的構造特點，大體上可以將其分為四種基本結構類型?！旅妫? 數控機床中常用的迸給驅動位置伺服系統(tǒng)為例，來說明這四種基本結構形式的特點和一般構 成方法。 ??? 一、開環(huán)位置伺服系統(tǒng) ??? 開環(huán)位置伺服系統(tǒng)是一種沒有位置反饋的位置控制系統(tǒng)口它的伺服機構按照指令裝置發(fā) .來的位置移動指令，驅動機械作相應的運動，但并不對機械的實際位移量或轉角進行檢測，從 而也無法將其與指令值進行比較。它的位置控制精度只能靠伺服機構木身

5、的傳動精度來保保護。 ??? 早期簡易型數控機床的j注給驅動位置伺服系統(tǒng)。常又用步進電機為主要部件的開環(huán)位置 伺服系統(tǒng)，結構如圖}-1所示?！げ竭M電機實質上是一種同步電動機，行當數控裝置向步進電機 發(fā)出一個進給脈沖指令的時候，步進電機的轉子就在此脈沖所產生的同步轉矩作用一卜旋轉一 個固定的角度，通常稱之為步距角，因此它是一種將電脈沖變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電磁裝置。 其特點是定位精度高，但轉換速度不快，約在毫秒數量級。步進電機步蹌角的大小與它的結構 和控制方式有關，最常用的一般為1.5“。步進電機再經過減速齒輪帶動絲杠旋轉，通過絲杠、 螺母的相對轉動，最后形成機床工作臺的運動。這

6、樣，工作臺的位移量將與進給指令脈沖的數 量成正比，而工作臺移動的速度將與進給指令脈沖的頻率，即單位時間的脈沖量成正比。顯然， 這種開環(huán)位置伺服系統(tǒng)的位置控制精度完全依賴于步進電機的步距角精度和齒輪、絲杠等傳 動部件的精度。若傳動鏈存在誤差，系統(tǒng)是無法隨時進行修正的。加上受步進電機本身力矩頻 率特性的制約，系統(tǒng)的進給移動速度不能很高’，所以這種開環(huán)位置伺服系統(tǒng)僅適用于那些對位 置控制精度要求不高、位移速度較低的簡易型數控系統(tǒng)。它的位置控制精度一般在0.11mm左右。’但由于它結構簡單，造價低、調試容易，所以仍被廣泛用于各種低檔的位置控制系統(tǒng)。開 環(huán)位置伺服系統(tǒng)是最早被采用的伺服系統(tǒng)，

7、其系統(tǒng)組成與工作原理在許多教材和專著中均有 詳盡的描述，此處不再詳述。 二、半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)與開環(huán)位置伺服系統(tǒng)不同，半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)是具有位置檢測和反控制系統(tǒng)。 它的位置檢測器與伺服電動機同軸相連，可通過它直接測.出電動機軸旋轉的角位移，進而推知 當前執(zhí)行機械〔如機床工作臺)的實際位置。由于位置檢側器不是直接裝在執(zhí)行機械上，位置閉 環(huán)只能控制到電機軸為止，所以被稱之為半閉環(huán)，它只能間接地檢知當前的位置信息，且也難 以隨時修正、消除因電動機軸后傳動鏈誤差引起的位置誤差。數控機床進給驅動最常用的半閉 環(huán)位置伺服系統(tǒng)如圖1-2所示。半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)中一般采用伺服電動機(交流伺服電

8、動機 或直流伺服電動機)作執(zhí)行電動機，與普通電動機相比、它具有調速范圍寬和·短時輸出.力矩大 的特.點。這樣，系統(tǒng)設計時不必再為保證低速性能和增大力矩而添置減速齒輪，而可將電動機 軸與絲桿(一般采用滾珠絲桿)直接連接，使傳動鏈誤差和非線性誤差(齒輪間隙)大大減小，在 機床導軌幾何精度和潤滑良好時。一般可以達到微米數量級的位置控制精度。另外，系統(tǒng)還可 以采用節(jié)距誤差補償和問隙補償的方法來提高控制精度。 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 1-2 ????????? 所謂節(jié)距誤差補償f.

9、又稱螺趾誤差補償)是按照滾珠伙杠的每一個節(jié)距，預先把·，卜閉環(huán)間 接測量結果與機械實際位移間的誤差測出來，根據控制要求均勻取出一定數量的補償點記入 存貯器，系統(tǒng)運行時，當機械運動到某一位置時就取出相應的位來對指令值加以修正以減小或 消除實際位置誤差。 ???? 所謂間隙補償(又稱反轉誤差補償)，是當機械運動方向改變時，由于滾珠絲杠與絲杠螺母 間存在傳動間隙，為使工作臺反向運動，電動機必須在反轉時首先帶動滾珠絲杠空轉一定角 度，才能使絲杠與螺母貼合驅動工作臺，這樣一來，就會使工作臺反向運動時的實際位移一量小 于指令值，產生反轉誤差。這種由傳動間隙引起的反轉誤差在整個行程范圍內一般足

10、一定的， 所以，只要在機械運動方向發(fā)生改變時，在指令值中再附加上相當于間隙量的補償指令，即可 有效地消除反轉誤差。 ??? 半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)在它的閉環(huán)中非線性因素少，容易格定，還可以比較方a地通過補償 來提高位置控制精度，此外，半閉環(huán)的結構使它的執(zhí)行機械與電氣自動控制部分相對獨立，系 統(tǒng)的通用性增強，因而這種結構是當前國內外數控機床進給驅動位置伺服系統(tǒng)中最普遍采用 的方案。 ??? 但嚴格說來，反轉間隙量會隨機床工作臺上工件的重量和安裝位置而發(fā)生變化，節(jié)距誤差 也會因環(huán)境溫度、潤滑和機械磨損而發(fā)生變化。重型機床中一般只能采用齒條、齒輪傳動，半閉 環(huán)位置控制的精度就更難保證、

11、為了達到更好的控制效果，人們自然提出了直接對工作臺實際 位置進行閉環(huán)控制的結構方案。 三、全閉環(huán)位置伺服系統(tǒng) 全閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)典型構成 作臺上，從而可以獲取工作臺實際位 所示。它將位置檢測器件直接安裝在機床工 息、通過反饋閉環(huán)實現高精度的位置控制。從 ????????????????????????????????????????????????????????????????? 1-3 理論上說，這是一種最理想的位置伺服控制方案。但是，在實際的數控機床系統(tǒng)中卻極少采用 這種全閉環(huán)結構方案。這主要是當采用全閉環(huán)時，機床本身的機械傳動鏈也被包含在位置閉環(huán) 中，伺服的電氣

12、自動控制部分和’執(zhí)行機械不再相對獨立，傳動的間隙、摩擦特性的非線性、傳動 鏈的剛性等都將會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，使系統(tǒng)容易產生機電共振和低速爬行。同時，工作臺 上的負載變化也會對系統(tǒng)的摩擦特性、機械慣量等產生影響，給系統(tǒng)的整定造成困難。此外，由 于機床的一部分被包含在位置閉環(huán)內，.位置控制調節(jié)器的設計就不得不考慮這部分機械的傳 輸特性。機床不同，被包含在位置閉環(huán)中的那部分機械的結構、特性往往也各有差異，這就給全 閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的通用性設計帶來了困難，也不利于降低成本。 ??? 四、混合閉環(huán)位置伺服系統(tǒng) ??? 對有的執(zhí)行機械(如重型機床工作臺)，位置伺服系統(tǒng)采用半閉環(huán)結構雖然容易

13、整定，但很 難補償其機械傳動部分引起的位置誤差，使位置控制精度不能達到要求的指標;采用全閉環(huán)結 構系統(tǒng)又很難整定，系統(tǒng)閉環(huán)后因環(huán)內多種非線性因素誘發(fā)的振蕩很難消除。于是，人們提出 一種混合閉環(huán)結構的位置伺眼系統(tǒng)方案、如圖1一4所示。 ??????????????????????????????????????????????????????? ?1-4 ?????? ?系統(tǒng)中同時存在半閉環(huán)和全閉環(huán)。系統(tǒng)工作時，半閉環(huán)起主要控制作用。由于半閉環(huán)中電 氣自動控制部分與執(zhí)行機械相對獨立，可以采用較高的位置增益，使系統(tǒng)易整定、響應快、跟蹤 誤差小;而全閉環(huán)只用干穩(wěn)態(tài)誤差補償，位置增益

14、可選得較低以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。兩者相結 合可最后獲得較高的位置控制精度和跟蹤速度。但由于系統(tǒng)中同時存在兩個閉環(huán)，使系統(tǒng)的控 制復雜程度大大增加，它們之間的配合、增益調整等都必須仔細整定，位置伺服系統(tǒng)也因之不 再具有通用性。 ??? 在位置伺服系統(tǒng)的上述四種基本結構形式中，半閉環(huán)結構是當前應用最為廣泛的結構。并 且由于它的電氣自動控制部分與機械部分相對獨立，可以根據機械慣量和負載情況劃分為不 同的等級，獨立地對其電氣部分進行通用化設計，因此，從狹義上講，人們也習慣地把在半閉環(huán) 結構中位置伺服的電氣自動控制部分稱為位置伺服系統(tǒng)。本教材的后續(xù)內容，將側重對這種意 義上的位置伺服系統(tǒng)進行討論。