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1、,閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),朱燕平,一 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成,閉環(huán)系統(tǒng)是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。檢測(cè)元件將執(zhí)行部件的位移、轉(zhuǎn)角、速度等量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，反饋到系統(tǒng)的輸入端并與指令進(jìn)行比較，得出誤差信號(hào)的大小，然后按照減小誤差的 方向控制驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的跟隨精度和和定位精度。 根據(jù)檢測(cè)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(cè)元件直接安裝在最 位置檢測(cè)元件安裝在傳動(dòng)鏈 后的移動(dòng)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(bǔ)償，精度高， 環(huán)外傳動(dòng)誤差

2、得不到補(bǔ)償， 但易造成系統(tǒng)動(dòng)蕩，不穩(wěn)定。 精度降低，構(gòu)造簡單，穩(wěn)定,,下面這個(gè)系統(tǒng)是一種教學(xué)和實(shí)驗(yàn)使用的X-Y軸全閉環(huán)交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由四個(gè)部分組成（圖1）：（1）上位控制部分包括通用PC機(jī)、ADT850運(yùn)動(dòng)控制卡；（2）松下MINAS A4系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)組成驅(qū)動(dòng)部分；（3）負(fù)載部分為X-Y軸滾珠絲杠平臺(tái)；（4）閉環(huán)反饋部分由光柵尺和數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)。,,,閉環(huán)系統(tǒng)適合于高精度和大負(fù)載的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)比開環(huán)復(fù)雜。設(shè)計(jì)步驟類似。因?yàn)榘腴]環(huán)應(yīng)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(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的圖，采用滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)，絲杠軸向支承選用推力軸承徑向采用

3、滑動(dòng)軸承，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。位置反饋不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位置量，而是直接采用轉(zhuǎn)角位移檢測(cè)元件（如光柵等），檢測(cè)伺服電機(jī)或絲杠轉(zhuǎn)角，反饋到控制裝置中進(jìn)行位置比較，用差值進(jìn)行控制。,二 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì),（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(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化如用來作為執(zhí)行元件的電動(dòng)機(jī)，液壓馬達(dá)等。大型伺服系統(tǒng)中常采用液壓伺服馬達(dá)；中小型，則多采用交、直流伺服電機(jī)。一般直流伺服系統(tǒng)選用永磁直流伺服電機(jī)；動(dòng)作快速、功率較大的選用無槽電樞直流伺服電機(jī)；需要快速動(dòng)作的選用空心杯電樞直流伺服電機(jī)；低速運(yùn)行和啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)頻繁的系統(tǒng)則選用印制繞組直流伺服電機(jī)。,,交流伺服技術(shù)的

4、發(fā)展使其不僅具有直流伺服電機(jī)那樣的優(yōu)良靜、動(dòng)態(tài)性能，并且具有無電刷磨損、維修方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在大、中型功率的伺服系統(tǒng)中有逐步取代直流的趨勢(shì)。,交流伺服電機(jī)分同步型和異步型交流伺服電機(jī)兩種。 同步型交流伺服電機(jī)常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)及其他機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)控制，包括點(diǎn)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(gè)別的達(dá)到數(shù)十千瓦，異步型伺服電機(jī)主要用于需要以恒功率擴(kuò)展調(diào)速范圍的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，常見的功率范圍是數(shù)千瓦以上。 交流伺服電機(jī)圖,檢測(cè)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(hào)接受與處理的環(huán)節(jié) 常見的有PMSM（永磁同步電動(dòng)機(jī)）位置伺服系統(tǒng),,檢測(cè)元件的選擇就是位置和速度傳感器。,常用的位置檢測(cè)傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼器、光柵尺、磁尺等。如被測(cè)量為直線位移，則應(yīng)選直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應(yīng)同步器等。如被測(cè)量為角位移，則應(yīng)選取圓形的角位移傳感器，如光電編碼器、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)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(yīng)考慮

6、結(jié)構(gòu)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(duì)執(zhí)行元件的速度進(jìn)行反饋控制，因而還要選用速度傳感器。交、直流伺服電機(jī)常用的速度傳感器為測(cè)速發(fā)電機(jī)。目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中常采用光電編碼器，同時(shí)測(cè)量電機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。,,伺服系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì),伺服系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)主要包括確定執(zhí)行元件（電機(jī)）的型號(hào)和參數(shù)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)方式和傳動(dòng)比、檢測(cè)元件的參數(shù)等。 伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 動(dòng)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(xué)模型，分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，常用的方法有時(shí)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(duì)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(shè)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(duì)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(shè)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(duì)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(fù)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(duì)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(duì)于伺服性能良好的系統(tǒng)，一般推薦：GM=1020db,=4060。對(duì)于二階欠阻尼系統(tǒng)，開環(huán)頻域的性能指標(biāo)通過下式進(jìn)行計(jì)算 式中為系統(tǒng)阻尼比,,伺服系統(tǒng)校正,計(jì)算伺服系統(tǒng)開環(huán)頻域性能指標(biāo)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(shè)計(jì)的實(shí)際系統(tǒng)，都需要校正才能是指標(biāo)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(zhì)都是引入校正裝置，改變系統(tǒng)零極點(diǎn)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(jī)械校正兩種。由于

9、電氣校正較機(jī)械校正容易實(shí)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(jié)構(gòu)簡單，調(diào)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(luò) 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(fù)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(gè)積分環(huán)節(jié)的一型系統(tǒng)變成了包含兩

10、個(gè)積分環(huán)節(jié)的二型系統(tǒng)。 根據(jù)控制理論知識(shí)，無論輸入信號(hào)是階躍信號(hào)還是等速斜坡信號(hào)，二型系統(tǒng)輸出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差都為零，擾動(dòng)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(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)處的個(gè)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(gè)和兩個(gè)積分環(huán)節(jié)。,,此外，為了改善伺服電機(jī)的調(diào)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(shè)置了一個(gè)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(gè)PI校正環(huán)節(jié)，使得伺服電機(jī)能以恒定的最大電流快速啟動(dòng)，又能使穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)速度為零，從而獲得了良好的靜態(tài)性能。（PMWM的一個(gè)PI校正）,,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(duì)于直流伺服電機(jī)采用晶體管脈寬調(diào)制還是采用晶閘管放大器驅(qū)動(dòng)控制。對(duì)于交流伺服電機(jī)，應(yīng)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(xué)講過的PWM（脈沖寬度調(diào)制）就是一種模擬控制。 另外還應(yīng)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(yīng)的計(jì)算機(jī)。,,