閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)解決方案素材

閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)解決方案素材第六章閉環(huán)伺服系統(tǒng)（一）概念：1．伺服系統(tǒng)概念及分類P195～P1962．全閉環(huán)與半閉環(huán)P1963．伺服系統(tǒng)的控制環(huán)路P201～P2044．復(fù)合控制器P2095．?dāng)?shù)字PID控制算法P215（二）計(jì)算及簡單應(yīng)用：1．電流環(huán)、速度環(huán)傳遞函數(shù)2．位置環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)P2043．伺服剛度P2054．伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)P2065．輸入?yún)⒖贾噶畹膯挝浑A躍和單位斜坡及系統(tǒng)誤差P205第1頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)定義

以移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)（FeedServoSystem）第2頁/共30頁位置指令位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測位置控制速度控制+—--電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)位置檢測—+伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成第3頁/共30頁

位置檢測裝置將檢測到的移動(dòng)部件的實(shí)際位移量進(jìn)行位置反饋，與位置指令信號進(jìn)行比較，將兩者的差值進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，變換成速度控制信號，控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到指令位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)伺服系統(tǒng)組成

基本工作原理第4頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)伺服系統(tǒng)要求

1.調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性（在調(diào)速范圍內(nèi)）

調(diào)速范圍：RN=Fmax/Fmin

一般要求：RN

＞1000，且0.1mm/min≤Fmin

＜1mm/min

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。

2.位置精度高實(shí)際位移與指令位移的差值要小。位置精度一般為0.01～0.001mm，甚至可高至0.1μm。

3.穩(wěn)定性好即負(fù)載特性要硬，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或承受外界干擾的情況下，輸出速度應(yīng)基本不變，而且保持平穩(wěn)均勻。

4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)快即有高的靈敏度，達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間要短，一般要求在200～100ms，甚至小于幾十毫秒。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢，反映了系統(tǒng)跟蹤精度的高低，直接影響輪廓加工精度的高低和加工表面質(zhì)量的好壞。第5頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)伺服系統(tǒng)分類

伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，按有無位置檢測和反饋有以下三種：

開環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)第6頁/共30頁步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置控制器脈沖串方向脈沖相電壓伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)組成第7頁/共30頁

由控制器送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，無需位置檢測裝置。系統(tǒng)的位置精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度、齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的導(dǎo)程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。位置精度較低，其定位精度一般可達(dá)±0.02mm。如果采取螺距誤差補(bǔ)償和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償?shù)却胧ㄎ痪瓤商岣叩健?.01mm。此外，由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度也受到限制，在脈沖當(dāng)量為0.01mm時(shí)，一般不超過5m/min。伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)第8頁/共30頁位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器信號處理+—實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)—+編碼器伺服電機(jī)位置指令伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成第9頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)

將檢測裝置裝在伺服電機(jī)軸或傳動(dòng)裝置末端，間接測量移動(dòng)部件位移來進(jìn)行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，將編碼器和伺服電機(jī)作為一個(gè)整體，編碼器完成角位移檢測和速度檢測，用戶無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。這種形式的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備上得到廣泛的采用。第10頁/共30頁位置指令位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測+—實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)位置檢測—+伺服電機(jī)測速發(fā)電機(jī)或編碼器伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成第11頁/共30頁

將檢測裝置裝在移動(dòng)部件上，直接測量移動(dòng)部件的實(shí)際位移來進(jìn)行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)只能補(bǔ)償部分誤差，因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些。由于采用了位置檢測裝置，所以，閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的位置精度在其他因素確定之后，主要取決于檢測裝置的分辨率和精度。閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧宋恢脵z測裝置，所以在結(jié)構(gòu)上較開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜。另外，由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分或全部包含在系統(tǒng)之內(nèi)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率、阻尼、間隙等將成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素，因此，閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試都較開環(huán)系統(tǒng)困難。伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)特征第12頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)

在全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，控制器直接將位置指令以數(shù)字信號的形式傳送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)裝置本身具有位置和速度控制功能?？刂破髋c伺服驅(qū)動(dòng)裝置之間通過總線相互傳遞如下信息：位置指令和實(shí)際位置速度指令和實(shí)際速度轉(zhuǎn)矩指令和實(shí)際轉(zhuǎn)矩伺服系統(tǒng)及伺服電機(jī)參數(shù)伺服狀態(tài)和報(bào)警

全數(shù)字式伺服系統(tǒng)第13頁/共30頁

CNC

第n軸伺服單元

第1軸伺服單元…………SMPC總線總線SMPC

控制器

第n軸伺服單元

第1軸伺服單元…………SMPC總線總線SMPC伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)

全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成第14頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)

全數(shù)字式伺服系統(tǒng)特點(diǎn)1.系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)節(jié)的調(diào)整由軟件實(shí)現(xiàn)。2.具有較高的動(dòng)、靜態(tài)特性。在檢測靈敏度、溫度漂移、噪聲及抗干擾等方面都優(yōu)于模擬式伺服系統(tǒng)。3.引入前饋控制，構(gòu)成了具有反饋和前饋復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4.由于全數(shù)字式伺服系統(tǒng)采用總線通信方式，極大地減小了連接電纜，便于設(shè)備安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)通過顯示終端實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服狀態(tài)。

當(dāng)前，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。全數(shù)字式交流伺服可作速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制，接受指令脈沖或模擬電壓指令信號，并自帶位置環(huán)，具有豐富的自診斷、報(bào)警功能。各控制參數(shù)通過以下方法用數(shù)字方式設(shè)定：

通過驅(qū)動(dòng)裝置上的顯示器和按鍵進(jìn)行設(shè)定通過驅(qū)動(dòng)裝置上的通信接口與上位機(jī)通信進(jìn)行設(shè)定通過可分離式編程器和驅(qū)動(dòng)裝置上的接口進(jìn)行設(shè)定第15頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機(jī)電一體化技術(shù)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)控制器總線驅(qū)動(dòng)裝置顯示設(shè)定窗口編碼器信號線三相電源進(jìn)線伺服電機(jī)三相電源第16頁/共30頁伺服概念：這是英文servo的諧音，念起來與外文的伺服發(fā)音差不多。但伺服這個(gè)字就是“侍候”，就是非常聽話，讓走到哪，就走到哪。在數(shù)控機(jī)床中，由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令脈沖，讓哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖著工作臺(tái)動(dòng)，這一臺(tái)電動(dòng)機(jī)就動(dòng)，而且這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)的距離，完全按著計(jì)算機(jī)的指令行事，非常準(zhǔn)確無誤地完成指令要求的任務(wù)。

伺服系統(tǒng)控制環(huán)路第17頁/共30頁很顯然，伺服系統(tǒng)所以能作到這一點(diǎn)，也是非常不容易的。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)拖著一個(gè)重量很重的工作臺(tái)，而且摩擦力隨著季節(jié)、新舊程度、潤滑狀態(tài)等因素而變化，控制了一個(gè)穩(wěn)定速度，精確定位，可以想象其難度之大。但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷從生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，一步一步找到了好的控制辦法，這就是三環(huán)結(jié)構(gòu)。第18頁/共30頁

三環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。第19頁/共30頁

這三個(gè)環(huán)就是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。1、位置環(huán)也稱為外環(huán)，其輸人信號是計(jì)算機(jī)給出的指令和位置檢側(cè)器反饋的位置信號。這個(gè)反饋是負(fù)反饋，也就是說與指令信號相位相反。指令信號是向位置環(huán)送去加數(shù)，而反饋信號是送去減數(shù)。位置環(huán)的輸出就是速度環(huán)的輸人。第20頁/共30頁2、速度環(huán)也稱為中環(huán)，這個(gè)環(huán)是一個(gè)非常重要的環(huán)，它的輸人信號有兩個(gè)：一個(gè)是位置環(huán)的輸出，做為速度環(huán)的指令信號送給速度環(huán)；另一個(gè)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的測速發(fā)電機(jī)經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)處理后的信息，做為負(fù)反饋送給速度環(huán)。速度環(huán)的兩個(gè)輸人信號也是反相的。一個(gè)是加，一個(gè)是減。速度環(huán)的翰出就是電流環(huán)的指令輸人信號。第21頁/共30頁3、電流環(huán)也叫做內(nèi)環(huán)，電流環(huán)也有兩個(gè)輸人信號，一個(gè)是速度環(huán)抽出的指令信號；另一個(gè)經(jīng)電流互感器，并經(jīng)處理后得到的電流信號，它代表電動(dòng)機(jī)電樞回路的電流，它送人電流環(huán)也是負(fù)反饋。電流環(huán)的輸出是一個(gè)電壓模擬信號，用它來控制PWM電路，產(chǎn)生相應(yīng)的占空比信號去觸發(fā)功率變換單元電路，第22頁/共30頁使電動(dòng)機(jī)獲得一個(gè)與計(jì)算機(jī)指令相關(guān)的，并與電動(dòng)機(jī)位置、速度、電流相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。這個(gè)運(yùn)行狀態(tài)滿足計(jì)算機(jī)指令的要求。這三個(gè)環(huán)都是調(diào)節(jié)器，其中有時(shí)采用比例調(diào)節(jié)器，有時(shí)采用比例積分調(diào)節(jié)器，有時(shí)還要用比例積分微分調(diào)節(jié)器關(guān)于位置反饋網(wǎng)絡(luò)、速度反饋網(wǎng)絡(luò)、電流反饋網(wǎng)絡(luò)到底是什么樣子可以這么說，有時(shí)是非常簡單的一個(gè)電位器，或者是一個(gè)濾波電路，但有時(shí)確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的邏輯關(guān)系。在這里不做詳細(xì)的敘述。第23頁/共30頁(1)前向通路傳遞函數(shù)--假設(shè)N(s)=0

打開反饋后，輸出C(s)與R(s)之比。等價(jià)于C(s)與誤差E(s)之比(2)反饋回路傳遞函數(shù)假設(shè)N(s)=0

主反饋信號B(s)與輸出信號C(s)之比。

伺服系統(tǒng)性能分析第24頁/共30頁(3)開環(huán)傳遞函數(shù)Open-loopTransferFunction假設(shè)N(s)=0

主反饋信號B(s)與誤差信號E(s)之比。(4)閉環(huán)傳遞函數(shù)Closed-loopTransferFunction假設(shè)N(s)=0

輸出信號C(s)與輸入信號R(s)之比。推導(dǎo)：因?yàn)?/p>

右邊移過來整理得

即

請記住**第25頁/共30頁(5)誤差傳遞函數(shù)假設(shè)N(s)=0

誤差信號E(s)與輸入信號R(s)之比。代入上式，消去G(s)即得：將第26頁/共30頁圖2-18輸出對擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖利