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1、,閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設計,朱燕平,一 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的構成,閉環(huán)系統(tǒng)是負反饋控制系統(tǒng)。檢測元件將執(zhí)行部件的位移、轉角、速度等量轉變成電信號，反饋到系統(tǒng)的輸入端并與指令進行比較，得出誤差信號的大小，然后按照減小誤差的 方向控制驅動電路，直到誤差減小到零。 反饋元件一般精度比較高，很多誤差都可以得到補償，提高了系統(tǒng)的跟隨精度和和定位精度。 根據(jù)檢測元件的安裝位置，閉環(huán)系統(tǒng)分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種。,全閉環(huán)，半閉環(huán)系統(tǒng)比較,位置檢測元件直接安裝在最 位置檢測元件安裝在傳動鏈 后的移動部件上，形成全閉 某一部位，就形成了半閉環(huán) 環(huán)系統(tǒng)。 系統(tǒng)。 誤差可以得到補償，精度高， 環(huán)外傳動誤差
2、得不到補償， 但易造成系統(tǒng)動蕩，不穩(wěn)定。 精度降低，構造簡單，穩(wěn)定,,下面這個系統(tǒng)是一種教學和實驗使用的X-Y軸全閉環(huán)交流伺服運動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由四個部分組成（圖1）：（1）上位控制部分包括通用PC機、ADT850運動控制卡；（2）松下MINAS A4系列交流伺服驅動器和交流伺服電機組成驅動部分；（3）負載部分為X-Y軸滾珠絲杠平臺；（4）閉環(huán)反饋部分由光柵尺和數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)。,,,閉環(huán)系統(tǒng)適合于高精度和大負載的系統(tǒng)，系統(tǒng)設計比開環(huán)復雜。設計步驟類似。因為半閉環(huán)應用廣泛，下面討論的系統(tǒng)都是半閉環(huán)系統(tǒng)。,圖為一半閉環(huán)數(shù)控機床進給系統(tǒng)的圖，采用滾珠絲杠螺母副傳動，絲杠軸向支承選用推力軸承徑向采用
3、滑動軸承，伺服電動機驅動。位置反饋不直接檢測工作臺的位置量，而是直接采用轉角位移檢測元件（如光柵等），檢測伺服電機或絲杠轉角，反饋到控制裝置中進行位置比較，用差值進行控制。,二 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設計,（1）伺服元件的選型 執(zhí)行元件選型 執(zhí)行元件其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化如用來作為執(zhí)行元件的電動機，液壓馬達等。大型伺服系統(tǒng)中常采用液壓伺服馬達；中小型，則多采用交、直流伺服電機。一般直流伺服系統(tǒng)選用永磁直流伺服電機；動作快速、功率較大的選用無槽電樞直流伺服電機；需要快速動作的選用空心杯電樞直流伺服電機；低速運行和啟動、正反轉頻繁的系統(tǒng)則選用印制繞組直流伺服電機。,,交流伺服技術的
4、發(fā)展使其不僅具有直流伺服電機那樣的優(yōu)良靜、動態(tài)性能，并且具有無電刷磨損、維修方便、價格便宜等優(yōu)點，在大、中型功率的伺服系統(tǒng)中有逐步取代直流的趨勢。,交流伺服電機分同步型和異步型交流伺服電機兩種。 同步型交流伺服電機常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床進給系統(tǒng)，機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)及其他機電一體化產(chǎn)品的運動控制，包括點位控制和連續(xù)軌跡控制。常見的功率范圍是數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，個別的達到數(shù)十千瓦，異步型伺服電機主要用于需要以恒功率擴展調速范圍的大功率調速系統(tǒng)中，如數(shù)控機床的主軸系統(tǒng)驅動，常見的功率范圍是數(shù)千瓦以上。 交流伺服電機圖,檢測元件的選型,閉環(huán)伺服系統(tǒng)通常是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)聯(lián)合的反饋
5、系統(tǒng)。 速度環(huán)指的是速度反饋系統(tǒng)；位置環(huán)指的是位置反饋系統(tǒng) 電流環(huán)指的是電流反饋系統(tǒng). 環(huán),指的是伺服系統(tǒng)中反饋信號接受與處理的環(huán)節(jié) 常見的有PMSM（永磁同步電動機）位置伺服系統(tǒng),,檢測元件的選擇就是位置和速度傳感器。,常用的位置檢測傳感器有旋轉變壓器、感應同步器、光電編碼器、光柵尺、磁尺等。如被測量為直線位移，則應選直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應同步器等。如被測量為角位移，則應選取圓形的角位移傳感器，如光電編碼器、圓感應同步器、旋轉變壓器、碼盤等。 一般來講，半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要采用角位移傳感器，全閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要采用直線位移傳感器。 選擇傳感器還應考慮
6、結構空間及環(huán)境條件等的影響 。 在位置伺服系統(tǒng)中，為了獲得良好的性能，往往還要對執(zhí)行元件的速度進行反饋控制，因而還要選用速度傳感器。交、直流伺服電機常用的速度傳感器為測速發(fā)電機。目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中常采用光電編碼器，同時測量電機的角位移和轉動速度。,,伺服系統(tǒng)靜態(tài)設計,伺服系統(tǒng)的靜態(tài)設計主要包括確定執(zhí)行元件（電機）的型號和參數(shù)、傳動結構的傳動方式和傳動比、檢測元件的參數(shù)等。 伺服系統(tǒng)的動態(tài)設計 動態(tài)分析主要是在伺服系統(tǒng)的控制方案，靜態(tài)參數(shù)確定后，需要提取系統(tǒng)的數(shù)學模型，分析系統(tǒng)動態(tài)性能指標，常用的方法有時域分析法，根軌跡法和頻域分析法。 常用的方法是開環(huán)頻域特性法，頻域的相對穩(wěn)定性即穩(wěn)
7、定裕度常用相角裕度r和幅值裕度h來度量。,1相角裕度rWc為系統(tǒng)的截止頻率,設A（wc）=G(j wc)H(j wc)=1 截止頻率定義 定義相角裕度為 r=180+G（jc）H(c) 其含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)開環(huán)相頻特性再滯后r度，系統(tǒng)將處于臨近穩(wěn)定狀態(tài)。 2 幅值裕度 設Wx為系統(tǒng)的穿越頻率 （wx)=G（jc）H(c) =(2k+1) ;k=0, 1...... 定義幅值裕度為 h= 幅值裕度含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，如果系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性再增大h倍，則系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。,,復平面中相角裕度和幅值裕度這里引用了穩(wěn)定，臨界穩(wěn)定，不穩(wěn)定的概念。涉及了控制里面的穩(wěn)定判據(jù)問題，
8、奈奎斯特和對數(shù)穩(wěn)定判據(jù)是兩種常用的穩(wěn)定判據(jù)。 h=-gm L（WC)=0,,對于伺服性能良好的系統(tǒng)，一般推薦：GM=1020db,=4060。對于二階欠阻尼系統(tǒng)，開環(huán)頻域的性能指標通過下式進行計算 式中為系統(tǒng)阻尼比,,伺服系統(tǒng)校正,計算伺服系統(tǒng)開環(huán)頻域性能指標后，判斷系統(tǒng)是否需要增加校正環(huán)節(jié)。一般情況下，按照確定的參數(shù)來設計的實際系統(tǒng)，都需要校正才能是指標的得到滿足。 校正的工程方法有根軌跡法和頻率法兩種。其本質都是引入校正裝置，改變系統(tǒng)零極點的分布情況，即改變系統(tǒng)的根軌跡或頻率特性的形狀，是系統(tǒng)性能得以改善。 校正環(huán)節(jié)有電氣校正和機械校正兩種。由于
9、電氣校正較機械校正容易實現(xiàn)，因此廣泛使用電氣校正。,校正環(huán)節(jié)串聯(lián)在控制系統(tǒng)的前向通道中，形成串聯(lián)校正；也可與前向通路并聯(lián)，組成并聯(lián)校正。,串聯(lián)校正還分無源RC校正和有源校正兩種。無源校正環(huán)節(jié)結構簡單，調整方便，但校正效果較差。 （有源）比例為分（PD) （無源）超前校正網(wǎng)絡 按照校正裝置在系統(tǒng)中的連接方式，控制系統(tǒng)校正方式可分為串聯(lián)校正、反饋矯正、前饋校正和復合校正四種。,常見的幾種校正系統(tǒng),,,有源校正環(huán)節(jié)有比例積分（PI）、比例微分（PD）和比例積分微分（PID）等環(huán)節(jié)。 在位置伺服系統(tǒng)中常采用PI校正環(huán)節(jié)。加入PI校正環(huán)節(jié)后，伺服系統(tǒng)從原來的只包含一個積分環(huán)節(jié)的一型系統(tǒng)變成了包含兩
10、個積分環(huán)節(jié)的二型系統(tǒng)。 根據(jù)控制理論知識，無論輸入信號是階躍信號還是等速斜坡信號，二型系統(tǒng)輸出響應的穩(wěn)態(tài)誤差都為零，擾動誤差也為零。所以加入PI校正環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)誤差為零。 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的極點在坐標原點處的個數(shù)即為系統(tǒng)的型，一型系統(tǒng)和二型系統(tǒng)分別有一個和兩個積分環(huán)節(jié)。,,此外，為了改善伺服電機的調節(jié)器性能，許多伺服系統(tǒng)還在速度反饋控制環(huán)內(nèi)設置了一個電流反饋控制環(huán)，以控制電樞繞組中的電流。而且速度環(huán)和電流環(huán)的前向通道中又分別串聯(lián)一個PI校正環(huán)節(jié)，使得伺服電機能以恒定的最大電流快速啟動，又能使穩(wěn)態(tài)運行時速度為零，從而獲得了良好的靜態(tài)性能。（PMWM的一個PI校正）,,控制系統(tǒng)設計,控制系統(tǒng)方案的確定，主要是確定執(zhí)行元件和伺服控制方式。根據(jù)前面講的元件的選擇，校正環(huán)節(jié)的添加，涉及系統(tǒng)。 對于直流伺服電機采用晶體管脈寬調制還是采用晶閘管放大器驅動控制。對于交流伺服電機，應確定是采用矢量控制，還是采用幅值、相位或幅相控制， 伺服系統(tǒng)的控制方式有模擬控制和數(shù)字控制，每種控制方式又有多種不同的控制算法。像之前同學講過的PWM（脈沖寬度調制）就是一種模擬控制。 另外還應確定是采用軟件伺服控制，還是采用硬件伺服控制，以便選擇相應的計算機。,,
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