伺服系統(tǒng)設計ppt課件伺服系統(tǒng)設計

緒論運動控制概念伺服系統(tǒng)設計課程特點伺服控制技術的發(fā)展

伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)技術指標

伺服系統(tǒng)設計內容與步驟

緒論運動控制概念1運動控制概念運動控制起源于早期的伺服驅動技術,隨著電力電子技術、微電子技術及計算機技術的迅猛發(fā)展,原有的電氣傳動控制的概念已經不能充分反映現代自動化系統(tǒng)的控制體系。因此1988年前后,國際上開始出現“運動控制”(MOTIONCONTROL)這一名稱。運動控制是指在復雜條件下,將預定的控制方案、規(guī)劃指令轉變成期望的機械運動,實現機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制,它是控制電機技術、傳感器技術、電力電子技術、微電子技術、自動控制技術等多學科的交叉應用技術。運動控制概念2運動控制概念運動控制系統(tǒng)可分為強電(功率變換)和弱電(信號處理與控制)兩部分,前者依賴于電力電子器件,后者決定于控制器件。運動控制的控制器件經歷分立電子元件、集成電路等發(fā)展階段,直至微型計算機的出現,使控制器件發(fā)生了飛躍——由硬件電路發(fā)展到軟件控制,運動控制系統(tǒng)也隨之進入微機控制全數字的新階段。

運動控制概念運動控制系統(tǒng)可分為強電(功率變換)和弱電(信號處3運動控制概念一個運動控制系統(tǒng)主要的性能指標一般為:動態(tài)響應的快速性、穩(wěn)態(tài)跟蹤的高精度以及行為的魯棒性。這些指標是一個統(tǒng)一的整體,是實現一個運動控制系統(tǒng)的關鍵技術所在。目前高性能的運動控制技術在數控加工等應用領域上所面臨的主要問題:一是在存在擾動、非線性、模型和參數不確定性的情況下如何設計高性能的控制器;二是如何實現動態(tài)響應的快速性和狀態(tài)監(jiān)控。其運動控制性能的獲得和問題的解決不僅意味著執(zhí)行機構和儀器等方面的先進技術,更重要的是新型控制策略的應用。運動控制概念一個運動控制系統(tǒng)主要的性能指標一般為:動態(tài)響應4數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術機床領域的運動控制技術稱為數控——即數字控制,指數字信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法,如果采用計算機來實現部分或全部數控功能,則稱為計算機數控。數控系統(tǒng)一般由計算機數控裝置(CNC裝置)、伺服驅動裝置、位置檢測裝置、可編程控制器(PLC)、輔助控制裝置及輸入/輸出與通信接口等部分構成。數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術機床領域的運動控制技術稱為數控5數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術數控裝置(CNC):是數控系統(tǒng)的核心,它的主要功能是將輸入的數控加工程序經過輸入、緩存、譯碼、寄存、運算、存儲等轉變成控制指令實現直接或通過可編程邏輯控制器(PLC)對伺服驅動系統(tǒng)的控制。輸入/輸出裝置:是數控系統(tǒng)和操作人員進行信息交流所必須具備的交互設備,最基本的輸入/輸出裝置是鍵盤、顯示器等,系統(tǒng)可通過鍵盤輸入程序、編輯修改程序和發(fā)送操作命令;顯示器為操作人員提供必要的信息,根據系統(tǒng)所處的狀態(tài)和操作命令的不同,顯示的信息可以是在編輯的程序,或是機床的加工信息。數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術數控裝置(CNC):是數控系統(tǒng)的核6數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術檢測裝置:即反饋元件,是半閉、閉環(huán)系統(tǒng)設有的反饋裝置。由測量元件和顯示環(huán)節(jié)組成,顯示位移量的標值。檢測精度和穩(wěn)定性對于系統(tǒng)的控制精度有著決定的影響?？删幊炭刂破?PLC):用來進行邏輯運算、順序控制、算術運算等,并將操作指令輸出,順序控制的受控對象隨設備的類型、結構、輔助裝置的不同而有很大差別,CNC和PLC配合協(xié)調完成對設備的控制。數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術檢測裝置:即反饋元件,是半閉、閉環(huán)系7數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術伺服系統(tǒng)是數控機床非常重要的一部分,是與設備本體聯(lián)系的關鍵環(huán)節(jié),它接收CNC發(fā)來的速度和位移信號,控制電動機的運動速度、方向,使設備加工定位和運動軌跡精確無誤。伺服系統(tǒng)一般由位置控制、速度控制組成,通常將位置控制部分與數控裝置做在一起。伺服驅動裝置按其結構特點有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。數控機床的功能強弱取決于NC裝置,而其性能好壞、取決于伺服驅動系統(tǒng)。伴隨著數控系統(tǒng)的發(fā)展,數控系統(tǒng)的伺服驅動技術也得到了相應的發(fā)展,從電液脈沖馬達、功率步進電機發(fā)展到高性能交、直流伺服電動機驅動系統(tǒng)。特別是高性能交流電動機伺服系統(tǒng)代表了當前伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展方向。數控系統(tǒng)及其伺服驅動技術伺服系統(tǒng)是數控機床非常重要的一部分8數控系統(tǒng)對伺服驅動控制裝置的要求作為數控機床進給驅動用的伺服系統(tǒng),要實現高速度、高精度、快速響應、精確跟蹤、穩(wěn)定可靠、高效率高質量加工,應滿足以下要求：(1)應具有足夠寬的調速范圍,通常要求達到1:10000以上,才能滿足低速加工和高速返回的要求,即要能使機械運動跟蹤控制指令,能使機械快速移動到所規(guī)定的距離,能在規(guī)定的位置上使機械保持停止狀態(tài),能使機械的移動方向自由地正反改變。數控系統(tǒng)對伺服驅動控制裝置的要求作為數控機床進給驅動用的9數控系統(tǒng)對伺服驅動控制裝置的要求(2)應具有足夠的轉動力矩,以滿足機床快速移動和重切削的要求。(3)應具備快速的動態(tài)響應特性,以使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)跟隨性能,盡快消除負載擾動對電動機速度的影響。(4)與CNC系統(tǒng)的接口應當簡便。整個伺服驅動系統(tǒng)應可以方便的接收來自上一級的指令,同時將自身運行狀況傳送到上一級控制器。數控系統(tǒng)對伺服驅動控制裝置的要求(2)應具有足夠的轉動10數控系統(tǒng)對伺服驅動控制裝置的要求(5)伺服電動機的轉子慣量要小,以提高系統(tǒng)的加減速特性。電動機的尺寸和重量應盡可能小,便于安裝。(6)在啟動過程中應該保持平滑運行,電動機的轉矩脈動盡可能要小,以免運動過程中產生過大的噪聲,在停止過程中不應產生爬行現象和高頻振動。(7)電機本身也應安全可靠,在使用過程中便于維護。數控系統(tǒng)對伺服驅動控制裝置的要求(5)伺服電動機的轉子11數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向數控機床由伺服系統(tǒng)所支持,伺服系統(tǒng)的跟蹤性能通常用兩個指標來衡量:跟蹤誤差和輪廓誤差。跟蹤誤差是指理想位置與實際位置之差,而輪廓誤差是指理想軌跡與實際軌跡之差。在機械加工中,工件的尺寸精度是由輪廓誤差所決定的。因此,伺服控制器的性能和加工質量、效率密切相關。從機床控制系統(tǒng)的角度看,機床控制是一個動態(tài)系統(tǒng),控制系統(tǒng)中不確定因素的產生主要是由于：數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向數控機床由伺服系統(tǒng)12數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向1)系統(tǒng)的輸入包含有隨機擾動,如機床振動、工件材料硬度不均等;2)系統(tǒng)數學模型的參數甚至結構具有不確定性。傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)對機床的控制主要采用經典控制論方法,大部分是PID控制,PID控制器以其結構簡單,使用方便和運行可靠等優(yōu)點在運動控制中也經常被采用。不過在解決系統(tǒng)中存在著非線性因素不易定量描述的控制問題時,PID控制器顯得力不從心。由于PID控制器的結構本身以及算法設計依賴對象的局限性,使得精度的改善導致動態(tài)性能的減弱,而動態(tài)性能的改善,又使執(zhí)行機構龐大且能耗增加。數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向1)系統(tǒng)的輸入包含有13數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向再者,同一控制器不僅用來改善輸入輸出的動態(tài)性能,而且還用來消除負載擾動,要想得到使系統(tǒng)具有滿意的動靜態(tài)性能指標的PID參數整定算法是相當困難的。隨著電力電子技術,微機及數字信號處理技術和現代控制理論的應用,為伺服技術的發(fā)展提供了廣闊的前景。近年來智能控制的多種策略,均被引入伺服系統(tǒng)中。數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向再者,同一控制器不僅14數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的研究是智能數控系統(tǒng)技術發(fā)展的前沿。將人工神經網絡、專家系統(tǒng)、模糊邏輯及遺傳算法等人工智能系統(tǒng)與現代交流伺服控制理論方法相結合,研究適合高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的控制方法：分層遞階智能控制、定性與定量控制的協(xié)調方法、模糊神經網絡學習算法、智能容錯魯棒控制器設計及智能控制的穩(wěn)定性分析方法。使交流伺服系統(tǒng)的性能達到快響應、高精度、魯棒性及高可靠性智能化的目標,并能在高精度數控系統(tǒng)中得到應用。

數控機床伺服系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展方向高性能智能化交流伺15運動控制系統(tǒng)運動控制是以機械運動的驅動設備——電動機為控制對象,以控制器為核心,以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構,在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動控制系統(tǒng)。運動控制起源于早期的伺服控制。簡單地說,運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理,使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數進行運動。運動控制系統(tǒng)運動控制是以機械運動的驅動設備——電動機為控16運動控制系統(tǒng)運動控制技術主要是伴隨著數控(CNC)技術、機器人技術(Robotics)和工廠自動化技術的發(fā)展而發(fā)展的?，F代化的運動控制系統(tǒng)具有以下特點:結構模塊化、標準化;構建系統(tǒng)快速性和柔性化;開發(fā)、維修、升級簡單;低成本。當前的運動控制技術發(fā)展方向：基于PC、柔性化、開放性。運動控制系統(tǒng)運動控制技術主要是伴隨著數控(CNC)技術、17運動控制系統(tǒng)種類按被控物理量分:以轉速為被控量的系統(tǒng)叫調速系統(tǒng);以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng)以前叫做位置隨動系統(tǒng),現稱伺服系統(tǒng)。

按驅動電機的類型分:用直流電機帶動生產機械的為直流傳動系統(tǒng);用交流電機帶動生產機械的為交流傳動系統(tǒng)。

運動控制系統(tǒng)種類按被控物理量分:18運動控制系統(tǒng)種類按控制器的類型分:以模擬電路構成的控制器叫模擬控制系統(tǒng);以數字電路構成的控制器叫數字控制系統(tǒng);按控制原理可以分為常規(guī)控制方法、先進控制方法;按控制系統(tǒng)中閉環(huán)的多少,可分單環(huán)控制系統(tǒng)、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)種類按控制器的類型分:19運動控制系統(tǒng)種類按控制的特點和應用領域的不同,可分為1)點位運動控制:這種運動控制的特點是僅對終點位置有要求,與運動的中間過程即運動軌跡無關。2)連續(xù)軌跡運動控制:又稱為輪廓控制,主要應用在傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運動輪廓控制。3)同步運動控制:是指對多個軸之間的運動進行協(xié)調控制,可以是對多個軸在運動全程中進行同步控制,也可指對運動過程中的局部進行同步控制。運動控制系統(tǒng)種類按控制的特點和應用領域的不同,可分為20運動系統(tǒng)共同的特點所有這些運動系統(tǒng)共同的特點就是:(1)被控量的過渡過程較短,一般為秒級甚至毫秒級。(2)傳動功率范圍寬。(3)調速范圍大,寬調速系統(tǒng)的調速范圍可達到1:10000。(4)具有良好的動態(tài)性能。(5)電動機空載損耗小,效率高,具有較強的過載能力。運動系統(tǒng)共同的特點所有這些運動系統(tǒng)共同的特點就是:21運動控制系統(tǒng)的基本結構運動控制在國民經濟各部門中起著重要的作用,運動控制器不但在傳統(tǒng)的機械數控行業(yè)有著廣泛的應用,而且在新興的電子制造和信息產品的制造業(yè)中起著不可替代的作用。自20世紀80年代以來,運動控制領域正在發(fā)生日新月異的變換,各種先進控制策略和先進技術已經被廣泛應用到各個工程實際中。運動控制系統(tǒng)的基本結構運動控制在國民經濟各部門中起著重要22一個典型的運動控制系統(tǒng)主要由被控機械設備、電動機、控制器、功率驅動裝置、和控制軟件構成。控制器按照給定和實際運行反饋值之差,調節(jié)控制量;驅動裝置按控制量調節(jié)電機轉矩;電動機按供電大小拖動機械運轉。整個系統(tǒng)的運動指令由運動控制器給出,因此運動控制器是整個運動控制系統(tǒng)的核心。一個典型的運動控制系統(tǒng)主要由被控機械設備、電動機、控制器、23運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用運動控制系統(tǒng)就執(zhí)行元件電動機而言,交直流兩大分支一直并存于各個工業(yè)領域,伴隨著工業(yè)技術的發(fā)展,特別是隨著電力電子和微電子技術的發(fā)展,電機及控制技術不斷完善。19世紀80年代以前,直流電機拖動是唯一的電氣傳動方式。19世紀末,交流電機的發(fā)明使用,使交流電氣傳動在工業(yè)中得到了逐步廣泛的應用。隨著生產技術的發(fā)展,對起制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應等方面都提出了更高的要求。這時又開始使用直流調速系統(tǒng);但由于直流調速本身存在的弱點,人們開始了新一輪交流調速系統(tǒng)的研究。運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用運動控制系統(tǒng)就執(zhí)行元件電動機24運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用近幾十年來隨著電力電子技術、微電子技術、現代控制理論的發(fā)展,為交流調速產品的開發(fā)創(chuàng)造了有利的條件,使交流調速逐步具備了寬調速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應和四象限運行等良好的技術性能,并實現了產品的系列化,目前交流調速系統(tǒng)已逐步占據了主導地位。在中小功率范圍內,高性能的交流伺服系統(tǒng)的交流電動機主要采用永磁同步電動機。。運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用近幾十年來隨著電力電子技術、微25運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用從控制策略方面分析,以往的電氣傳動控制系統(tǒng)主要用經典控制理論作指導,它以單輸入單輸出的線性時不變系統(tǒng)作為主要研究對象,用傳遞函數作為基本數學描述,以頻域法和根軌跡作為分析和綜合系統(tǒng)的方法。六十年代初,現代控制理論開始形成,它的研究對象要比經典控制理論廣泛得多,適用于非線性、時變、斷續(xù)和多變量系統(tǒng),它的研究方法本質上是時域的,即狀態(tài)空間法,它的分析和綜合目標是揭示系統(tǒng)的內在規(guī)律,實現系統(tǒng)的最優(yōu)化?？刂撇呗缘脑O計目標是:運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用從控制策略方面分析,以往的電氣26運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用控制策略的設計目標是:1)減少擾動和參數變化的影響。2)獲得期望的穩(wěn)態(tài)精度和輸入輸出的動態(tài)特性。3)通過對負載力矩以及對跟蹤偏差的控制來達到上述目的。

運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用控制策略的設計目標是:27運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用目前在運動控制系統(tǒng)中常用的現代控制理論主要有:最優(yōu)控制、自適應控制、滑模變結構控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、神經元控制等。在運動控制系統(tǒng)中,應用十分廣泛的是位置控制系統(tǒng)(位置伺服系統(tǒng)),它是以足夠的控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度作為主要控制目標。典型的位置伺服系統(tǒng)中有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán),其中分別對應電流控制器、速度控制器、位置控制器,這些控制器能夠實現系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)特性等控制目標。運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及應用目前在運動控制系統(tǒng)中常用的現代28位置伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是以物體的位置、方位、姿態(tài)等作為被控量,使之能跟蹤目標值任意變化的控制系統(tǒng)。位置伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng),是運動控制中最典型的一種。系統(tǒng)輸出量一般是負載的空間位移,當給定位置指令變化時,輸出量也應能準確無誤地跟蹤給定量的變化并能復現給定量。作為閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的伺服系統(tǒng),它在對生產過程和運動對象的控制中,以及在定位、瞄準、跟蹤、信號傳遞和接收等裝置中都占有重要的地位。

位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是以物體的位置、方位、姿態(tài)等作為被29位置伺服系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)與普通電動機調速系統(tǒng)有著緊密聯(lián)系但又有明顯不同。對調速系統(tǒng)的要求是有足夠的調速范圍、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)境溫度變化等干擾因素的影響。

位置伺服系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)與普通電動機調速系統(tǒng)有著緊密聯(lián)系30位置伺服系統(tǒng)而位置伺服系統(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，系統(tǒng)中伺服電動機的運行速度是動態(tài)變化。伺服系統(tǒng)在跟蹤性能方面的要求比普通調速系統(tǒng)高。位置伺服系統(tǒng)是在調速系統(tǒng)的基礎上外加一個位置環(huán)構成，位置環(huán)是位置伺服系統(tǒng)的主要結構特征。

位置伺服系統(tǒng)而位置伺服系統(tǒng)，一般是以足夠的位置控制精度(31數控機床位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)接收數控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經變換、放大與調整后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體。隨著數字脈寬調整技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流伺服的發(fā)展歷程。

數控機床位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)接收數控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指32位置控制系統(tǒng)的組成數控機床的位置伺服系統(tǒng)包括機械執(zhí)行機構和電氣自動控制兩大組成部分。它的機械執(zhí)行機構常包括工作臺(或刀架)、滾珠絲杠、導軌、減速齒輪等；電氣自動控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。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，在數控系統(tǒng)上采用的主要是以下三種基本結構類型：開環(huán)伺服位置控制、全閉環(huán)位置伺服控制、半閉環(huán)位置伺服控制。位置控制系統(tǒng)的組成數控機床的位置伺服系統(tǒng)包括機械執(zhí)行機33位置控制系統(tǒng)的組成

開環(huán)控制方式由于不需要反饋裝置,具有結構簡單、易于控制及成本低的優(yōu)點，在早期簡易型數控機床的進給伺服系統(tǒng)中用的較多。但是由于沒有反饋裝置,使系統(tǒng)自調整能力差、控制精度低。因此限制了其在中、高檔伺服系統(tǒng)中的應用。位置控制系統(tǒng)的組成開環(huán)控制方式由于不需要反饋裝置,具有34步進開環(huán)伺服系統(tǒng)用于中、低檔數控機床及普通機床改造。步進開環(huán)伺服系統(tǒng)用于中、低檔數控機床及普通機床改造。35位置控制系統(tǒng)的組成

全閉環(huán)控制方式，其位置檢測器直接安裝在機床工作臺上，可以獲取工作臺實際位置的精確信息，從而通過反饋環(huán)實現高精度的位置控制，因此,從理論上講，這種方式是一種較為理想的控制方式。但在實際系統(tǒng)中，將位置檢測器直接安裝在機床工作臺上時，由于機床本身被包含在反饋環(huán)內，使得電氣部分和執(zhí)行機械不再相對獨立，而傳動的間隙、摩擦特性的非線性等因素都將影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，使系統(tǒng)容易產生機電共振和低速爬行現象。位置控制系統(tǒng)的組成全閉環(huán)控制方式，其位置檢測器直接安36閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數控機床上。閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數控機床上。37位置控制系統(tǒng)的組成

半閉環(huán)方式的位置檢測器不像全閉環(huán)方式那樣直接裝在機床工作臺上，而是與電機同軸相連，并通過該檢測器直接測出電機軸的旋轉角位移，進而導出當前執(zhí)行機械的實際位置,使得執(zhí)行機械部分與電氣部分相對獨立。這樣增強了系統(tǒng)的通用性，減少在反饋環(huán)中的非線性因素，系統(tǒng)控制器參數設計及整定易于實現。這種方式是當前使用最多的一種方式。位置控制系統(tǒng)的組成半閉環(huán)方式的位置檢測器不像全閉環(huán)方式38半閉環(huán)伺服系統(tǒng)適用于精度要求適中的中小型數控機床。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)適用于精度要求適中的中小型數控機床。39伺服系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)40交流伺服控制模式

交流伺服控制有模擬式、數?；旌鲜胶腿珨底质街?。模擬交流伺服系統(tǒng)控制信號連續(xù)，工作速度快，系統(tǒng)的頻率寬。系統(tǒng)具有快速動態(tài)響應性能和寬調速范圍。模擬伺服系統(tǒng)是由模擬電子器件構成的系統(tǒng)，難以實現復雜的控制方法。由于電子器件特性的分散性，使系統(tǒng)的調整困難，模擬器件的工作狀態(tài)極易受溫度影響而產生漂移，破壞已調整好的運行狀態(tài)。系統(tǒng)缺乏豐富的自診斷和顯示功能，在整機聯(lián)調時不能方便地判斷系統(tǒng)中的問題。交流伺服控制模式交流伺服控制有模擬式、數?；旌鲜胶腿珨底质?1交流伺服控制模式

數?；旌鲜浇涣魉欧到y(tǒng)中,一般采用工控機、單片機和DSP（DigitalSingnalProcessor）來完成位置和速度控制。由于受CPU運算速度的限制，伺服系統(tǒng)中響應最快的電流環(huán)控制仍由模擬電路完成。從交流伺服系統(tǒng)控制技術的發(fā)展過程來看，混合式交流伺服系統(tǒng)技術比較成熟，在許多領域得到了極為廣泛的應用，仍是目前伺服裝置產品的主流。交流伺服控制模式數?；旌鲜浇涣魉欧到y(tǒng)中,一般采用工控機、42交流伺服控制模式

數字式伺服系統(tǒng)的所有控制調節(jié)全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平型的脈寬調制控制信號驅動功率晶體管放大器對伺服電機進行電壓控制，完成位置伺服控制任務。調節(jié)器的全部軟件化使控制理論中的許多控制思想和手段，包括經典的和現代的，都可以方便地被引入進行研究及應用。還可完成參數的自動優(yōu)化和故障自動診斷等，使系統(tǒng)控制性能得到提高。交流伺服控制模式數字式伺服系統(tǒng)的所有控制調節(jié)全部由軟件完成43位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求位置伺服系統(tǒng)的主要控制目標是迅速跟蹤指令值的任意變化，在性能上有兩方面的要求：一方面要有穩(wěn)定平滑的瞬態(tài)響應；另一方面穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差和動態(tài)位置跟蹤誤差要小，以獲得高精度的位置控制性能。位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求位置伺服系統(tǒng)的主要控制目標44位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求數控機床伺服系統(tǒng)主要有以下幾個性能指標:1、穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差與位置環(huán)增益

位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數控設備的加工精度,因此位置精度是一個極為重要的指標。穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差是指當系統(tǒng)對輸入信號的瞬態(tài)響應過程結束以后,在穩(wěn)定運行時伺服系統(tǒng)執(zhí)行機械實際位置與指令目標值之間的誤差。位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求數控機床伺服系統(tǒng)主要有以下幾45位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求位置環(huán)增益與伺服電機以及機械負載有密切聯(lián)系。通常伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益越高，位置跟蹤誤差愈小，但在輸入進給速度突變時，其輸出變化劇烈，機械負載要承受較大的沖擊。當伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益相對較小時,調整起來比較方便,因為位置環(huán)增益小，伺服系統(tǒng)容易穩(wěn)定。同時，低位置環(huán)增益的伺服系統(tǒng)頻帶較窄，對噪音（外部干擾信號）不敏感。但位置環(huán)增益低的伺服系統(tǒng)位置跟蹤誤差較大，進行輪廓加工時，會在軌跡上形成加工誤差。（畫路徑拐角圖）位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求位置環(huán)增益與伺服電機以及機械46位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求

2、定位精度和速度控制范圍定位精度是評價位置伺服系統(tǒng)位置控制準確度的性能指標，系統(tǒng)最終定位點與指令目標值間的靜止誤差定義為系統(tǒng)的定位精度。伺服系統(tǒng)在低速情況下實現平穩(wěn)進給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍?！八绤^(qū)”指的是由于存在靜摩擦力，系統(tǒng)在小信號輸入時，電機克服不了摩擦力而不能轉動。此外，由于存在機械間隙，電機雖然轉動，但拖板并不移動。位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求2、定位精度和速度控制范圍47對于一個位置伺服系統(tǒng)，最低限度應當能對其指令輸入的最小設定單位一個脈沖作出相應的響應。要達到這一目標，除了必須使用分辨率足夠高的位置檢測器件外，系統(tǒng)的速度伺服還應當具有足夠寬的速度控制范圍。對于一個位置伺服系統(tǒng)，最低限度應當能對其指令輸入的最小設定48位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求

3、最大快移速度

最大快移速度即為系統(tǒng)速度伺服所能提供的最高轉速。它是決定系統(tǒng)定位精度和定位快速性的一個重要因數。位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求3、最大快移速度49位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求4、位置伺服系統(tǒng)內環(huán)的幾種常用性能指標(1)瞬時最大電流：它代表了伺服電動機所允許承受的最大沖擊負荷和系統(tǒng)的最大加減速力矩(正比于最大速度上升斜率)。(2)電機利用系數：當伺服電動機采用電力半導體器件以調制斬波方式供電驅動時,電樞電流中的交變分量使它的有效值大于平均值。為保證電動機運行時溫升不超過規(guī)定值,需減小電動機的輸出力矩。電機利用系數表示電動機減小輸出力矩使用的程度。此外，系統(tǒng)的抗干擾能力，低速時能否輸出大的轉矩,是否具有比較小的轉動慣量等也是伺服系統(tǒng)常用的性能指標。位置伺服控制系統(tǒng)性能指標要求4、位置伺服系統(tǒng)內環(huán)的幾種常用50伺服系統(tǒng)設計課程特點綜合性、專業(yè)性，知識面寬，內容多而雜注重實踐

反饋的特點與作用兩類基本反饋控制系統(tǒng)的比較伺服系統(tǒng)設計課程特點綜合性、專業(yè)性，知識面寬，內容多而雜51什么是伺服系統(tǒng)（ServoSystem）

隨動系統(tǒng)—調節(jié)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中的一類系統(tǒng)它用來控制被控對象的轉角或位移，使其自動、連續(xù)、精確地復現輸入指令的變化。（一般具有負反饋閉環(huán)）例：雷達系統(tǒng)、機器人機械臂、聲納平臺控制系統(tǒng)形式開環(huán)和閉環(huán)什么是伺服系統(tǒng)（ServoSystem）52反饋的特點與作用特點：

1、連續(xù)的檢測偏差量；2、回路增益可以較高，使誤差很小，輸出接近希望值；3、對環(huán)境有適應性，抗干擾性強；4、閉開環(huán)系統(tǒng)復雜，成本高。反饋的特點與作用53作用：（增益、穩(wěn)定、靈敏度、抗干擾）參考:書P52-73

作用：（增益、穩(wěn)定、靈敏度、抗干擾）541、反饋對增益的影響H(s)=0時，即為開環(huán)，增益為G(s)H(s)≠0時，即為閉環(huán)，增益為│1+G(jω)H(jω)│>1時，增益減小│1+G(jω)H(jω)│<1時，增益增大G(jω)H(jω)在不同頻段都可能出現上面的情況1、反饋對增益的影響552、反饋對穩(wěn)定性的影響當1+G(jω)H(jω)=0或特征根分布在右半平面時，Φ（jω）→∞，系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過控制，可使不穩(wěn)定系統(tǒng)達到穩(wěn)定，選擇F(s)2、反饋對穩(wěn)定性的影響56例：倒立擺系統(tǒng)（參考P75-79，牛頓定律）已知：桿的質量為m，車的質量為M，車為一個自由度，左右運動；桿有兩個自由度，左右運動，繞鉸鏈轉動。f為垂向力，F為水平力。桿旋轉運動：桿垂直直線運動：桿水平直線運動：車水平直線運動：例：倒立擺系統(tǒng)（參考P75-79，牛頓定律）57當車靜止時，u=0，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定平衡；加入控制力u后，取很小角運動，有設狀態(tài)變量:得到狀態(tài)方程：A的特征根del(sI-A)=0，有正根，系統(tǒng)不穩(wěn)定可通過配置系統(tǒng)極點，使系統(tǒng)穩(wěn)定。當車靜止時，u=0，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定平衡；583、反饋對系統(tǒng)參數靈敏度的影響

工作中，控制系統(tǒng)的元件總是隨時間環(huán)境變化的。希望這種變化越小越好。

靈敏度的定義：G(s)參數可變，Φ(s)對G(s)的變化的靈敏度為可以用增大G(s)H(s)的辦法，使任意小。開環(huán)時，使按1：1相應G(s)的變化的。

3、反饋對系統(tǒng)參數靈敏度的影響594、反饋對外部噪聲或擾動的影響

它的作用可以削弱外部噪聲或擾動N(s)的影響H=O時，也即開環(huán)時，有E(s)=R(s)，則C(s)=G1G2R(s)+G2N(s)=G1G2E(s)+G2N(s)定義：輸出信噪比增大信噪比的途徑:增加G1，或增加E(s)/N(s)4、反饋對外部噪聲或擾動的影響60閉環(huán)時，在某些情況下，閉環(huán)提供了改善信噪比的可能性當G1增大到G’1時，調整R到R’,使開環(huán)、閉環(huán)輸出C(s)相等C(s)│N=O=G’1G2R’/(1+G’1G2H)=G1G2RC(s)│R=O=G2N/(1+G’1G2H)

希望它小信噪比=C(s)│N=O/C(s)│R=O=G1(1+G’1G2H)R/N增加了(1+G’1G2H)項，使提高信噪比有了可能。5、反饋對系統(tǒng)帶寬、阻抗、過渡過程及頻率特性都有影響閉環(huán)時，61兩類基本反饋控制系統(tǒng)的比較

控制系統(tǒng)種類很多，分法也各不相同。按控制形式分：定?？刂葡到y(tǒng)——時變控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)——非線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)——離散控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)——數字控制系統(tǒng)按控制目標分：伺服控制系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)）——調節(jié)控制系統(tǒng)兩類基本反饋控制系統(tǒng)的比較62伺服控制系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)）——調節(jié)控制系統(tǒng)跟蹤輸入變化，克服負載與噪聲干擾——使對象保持某一狀態(tài)兩類系統(tǒng)共同點：一般都是反饋控制系統(tǒng)兩類系統(tǒng)不同點：四個方面1、輸入信號

時變、跟蹤、未知、復雜——常值階躍、已知、簡單2、誤差特點

跟蹤誤差來源于輸入信號的隨機變化——廣義干擾引起3、過渡過程質量、精度過渡過程質量高、精度、快速性好——精度高，過程一般4、負載特點

負載慣性與摩擦——廣義干擾你中有我，我中有你伺服控制系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)）——調節(jié)控制系統(tǒng)63伺服控制技術的發(fā)展1944年，世界上第一個伺服系統(tǒng)由美國麻省理工學院輻射實驗室研制成功?；鹋谧詣痈櫮繕怂欧到y(tǒng)

第二次世界大戰(zhàn)期間，對系統(tǒng)提出了大功率、高精度、快速響應等一系列高性能要求，液壓伺服技術迅速發(fā)展起來。它表現出無以倫比的快速性、低速平穩(wěn)性等一系列優(yōu)點。到50年代末期和60年代初期，有關電液伺服技術的基本理論日趨完善，從而使電液伺服系統(tǒng)的應用達到了前所未有的高度。伺服控制技術的發(fā)展1944年，世界上第一個伺服系統(tǒng)由美國麻省6450年代中期，機電伺服系統(tǒng)在一些重要元器件性能上有新的突破，組成了靜止式可控整流裝置，帶來了控制領域的一場技術革命。70年代以來，電力電了技術突飛猛進，推出了新一代“全控式”電力電子器件。新材料與電機技術的發(fā)展，以脈寬調制結合，大大改善了伺服系統(tǒng)的性能。對傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)形成強有力的挑戰(zhàn)，并以極快的速度發(fā)展。

稀土磁材料、力矩電機、大慣量寬調速電動機

50年代中期，機電伺服系統(tǒng)在一些重要元器件性能上有新的突破，65控制理論快速發(fā)展

傳遞函數、拉普拉斯變換和奈奎斯特穩(wěn)定理論；根軌跡；現代控制理論計算機、大規(guī)模集成電路的發(fā)展，各元器件趨于數字化、集成化，使現代伺服系統(tǒng)朝著高精度、低噪聲的方向發(fā)展。展望未來，新器件、新理論、新技術必將驅使伺服系統(tǒng)朝“智能化”方向發(fā)展，賦予人工智能特性的伺服系統(tǒng)以及智能控制器必將獲得廣泛應用。控制理論快速發(fā)展66伺服系統(tǒng)的組成例：仿型銑床隨動系統(tǒng)

r(t)為模桿的位移，c(t)是銑刀桿的位移。希望銑刀的運動c(t)完全復現模桿的運動r(t)。使得加工出來的零件尺寸和模型一樣。伺服系統(tǒng)的組成例：仿型銑床隨動系統(tǒng)67組成伺服系統(tǒng)按職能可分為以下六個部分1.測量元件其職能是檢測被控制的物理量，在隨動系統(tǒng)中被測量是角度或位移，而在速度控制系統(tǒng)中被測量是轉速或角速度。2.給定元件其職能是給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸出量3.比較元件其職能是把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參考量進行比較，求出它們之間的偏差。組成伺服系統(tǒng)按職能可分為以下六個部分684.放大元件其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件控制被控對象。電壓偏差信號，可用電子管、晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓放大級和功率放大級加以放大。5.執(zhí)行元件其職能是直接推動被控對象。用來作為執(zhí)行元件的有閥、電動機、液壓馬達等。6.校正元件也叫補償元件，它是結構或參數便于調整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，減小或消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。最簡單的校正元件是由電阻、電容組成的無源或有源網絡，復雜的則用電子計算機。4.放大元件其職能是將比較元件給出的偏差信號進69伺服系統(tǒng)技術指標每個科研項目，都必須有“設計任務書”或“技術規(guī)格書”，按要求完成設計與實現給出兩類典型系統(tǒng)的技術基本要求調速系統(tǒng)的技術基本要求伺服系統(tǒng)的技術基本要求伺服系統(tǒng)技術指標每個科研項目，都必須有“設計任務書”70調速系統(tǒng)的技術基本要求1、調速范圍

D=nmax/nmin

2、連續(xù)性和平滑性要求

在D的范圍內，有級還是無級，可逆還是不可逆3、對動態(tài)性能

階躍信號作用下，時域指標：σ%、ts、N正弦信號作用下，閉環(huán)頻域指標：Mr、ωb正弦信號作用下，開環(huán)頻域指標：ωc、γ調速系統(tǒng)的技術基本要求714、靜差率δ或轉速降Δn(或ΔΩ，Δv)

Δn=n０-nR(或ΔΩ=Ω０-ΩR)

δ=Δn/n０

n０理想空載轉速，nR滿載轉速5、負載擾動作用下系統(tǒng)的響應

負載擾動對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響是調速系統(tǒng)的重要技術指標之一衡量抗擾能力一般取大轉速降(升)Δnmax與響應時間tsf來度量4、靜差率δ或轉速降Δn(或ΔΩ，Δv)726、元件參數變化的敏感性要求

指控制系統(tǒng)本身各項元件參數的變化所引起的誤差。通常如不提出要求，則應包含在系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性要求之內7、系統(tǒng)工作制

有長期連續(xù)運行、間歇循環(huán)運行和短時間運行之分，可靠性、壽命要求8、環(huán)境要求溫度、濕度、三防(防水、防腐、防輻射)、抗振動、抗沖擊9、外形要求體積、重量、結構外形、安裝特點10、其他要求成本、元件通用性、標準化程度、能源利用率、維護使用、電源6、元件參數變化的敏感性要求73伺服系統(tǒng)的技術基本要求1、系統(tǒng)靜態(tài)誤差e０(簡稱系統(tǒng)靜差)

通常指系統(tǒng)輸入指令為常值時，輸入與輸出之間的誤差。位置控制系統(tǒng)一般設計成無靜差系統(tǒng)。理論上系統(tǒng)靜止協(xié)調時沒有位置誤差。實際上，系統(tǒng)的測量元件(亦稱敏感元件)分辨率有限，系統(tǒng)輸出端承受干摩擦造成死區(qū)，均可造成系統(tǒng)靜誤差。2、速度誤差ev、正弦跟蹤誤差esin、最大跟蹤誤差em