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1、,闭环控制的伺服系统设计,朱燕平,一 闭环伺服系统的构成,闭环系统是负反馈控制系统。检测元件将执行部件的位移、转角、速度等量转变成电信号，反馈到系统的输入端并与指令进行比较，得出误差信号的大小，然后按照减小误差的 方向控制驱动电路，直到误差减小到零。反馈元件一般精度比较高，很多误差都可以得到补偿，提高了系统的跟随精度和和定位精度。根据检测元件的安装位置，闭环系统分为全闭环和半闭环两种。,全闭环，半闭环系统比较,位置检测元件直接安装在最 位置检测元件安装在传动链后的移动部件上，形成全闭 某一部位，就形成了半闭环环系统。系统。误差可以得到补偿，精度高，环外传动误差得不到补偿，但易造成系统动荡，不稳
2、定。精度降低，构造简单，稳定,下面这个系统是一种教学和实验使用的X-Y轴全闭环交流伺服运动控制系统。系统由四个部分组成（图1）：（1）上位控制部分包括通用PC机、ADT850运动控制卡；（2）松下MINAS A4系列交流伺服驱动器和交流伺服电机组成驱动部分；（3）负载部分为X-Y轴滚珠丝杠平台；（4）闭环反馈部分由光栅尺和数据采集卡来实现。,闭环系统适合于高精度和大负载的系统，系统设计比开环复杂。设计步骤类似。因为半闭环应用广泛，下面讨论的系统都是半闭环系统。,图为一半闭环数控机床进给系统的图，采用滚珠丝杠螺母副传动，丝杠轴向支承选用推力轴承径向采用滑动轴承，伺服电动机驱动。位置反馈不直接检测
3、工作台的位置量，而是直接采用转角位移检测元件（如光栅等），检测伺服电机或丝杠转角，反馈到控制装置中进行位置比较，用差值进行控制。,二 闭环伺服系统的设计,（1）伺服元件的选型执行元件选型 执行元件其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化如用来作为执行元件的电动机，液压马达等。大型伺服系统中常采用液压伺服马达；中小型，则多采用交、直流伺服电机。一般直流伺服系统选用永磁直流伺服电机；动作快速、功率较大的选用无槽电枢直流伺服电机；需要快速动作的选用空心杯电枢直流伺服电机；低速运行和启动、正反转频繁的系统则选用印制绕组直流伺服电机。,交流伺服技术的发展使其不仅具有直流伺服电机那样的优良静、动态性能
4、，并且具有无电刷磨损、维修方便、价格便宜等优点，在大、中型功率的伺服系统中有逐步取代直流的趋势。,交流伺服电机分同步型和异步型交流伺服电机两种。同步型交流伺服电机常用于位置伺服系统，如数控机床进给系统，机器人关节伺服系统及其他机电一体化产品的运动控制，包括点位控制和连续轨迹控制。常见的功率范围是数十瓦到数千瓦，个别的达到数十千瓦，异步型伺服电机主要用于需要以恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中，如数控机床的主轴系统驱动，常见的功率范围是数千瓦以上。交流伺服电机图,检测元件的选型,闭环伺服系统通常是位置环、速度环、电流环三环联合的反馈系统。速度环指的是速度反馈系统；位置环指的是位置反馈系统 电流
5、环指的是电流反馈系统.环,指的是伺服系统中反馈信号接受与处理的环节常见的有PMSM（永磁同步电动机）位置伺服系统,检测元件的选择就是位置和速度传感器。,常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅尺、磁尺等。如被测量为直线位移，则应选直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。如被测量为角位移，则应选取圆形的角位移传感器，如光电编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。一般来讲，半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器，全闭环控制的伺服系统主要采用直线位移传感器。选择传感器还应考虑结构空间及环境条件等的影响。在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度
6、进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。交、直流伺服电机常用的速度传感器为测速发电机。目前在半闭环伺服系统中常采用光电编码器，同时测量电机的角位移和转动速度。,伺服系统静态设计,伺服系统的静态设计主要包括确定执行元件（电机）的型号和参数、传动结构的传动方式和传动比、检测元件的参数等。伺服系统的动态设计动态分析主要是在伺服系统的控制方案，静态参数确定后，需要提取系统的数学模型，分析系统动态性能指标，常用的方法有时域分析法，根轨迹法和频域分析法。常用的方法是开环频域特性法，频域的相对稳定性即稳定裕度常用相角裕度r和幅值裕度h来度量。,1相角裕度rWc为系统的截止频率,设A（wc）=G(j wc)H(
7、j wc)=1 截止频率定义定义相角裕度为 r=180+G（jc）H(c)其含义是，对于闭环稳定的系统，如果系统开环相频特性再滞后r度，系统将处于临近稳定状态。2 幅值裕度设Wx为系统的穿越频率（wx)=G（jc）H(c)=(2k+1);k=0,1.定义幅值裕度为 h=幅值裕度含义是，对于闭环稳定系统，如果系统开环幅频特性再增大h倍，则系统将处于临界稳定状态。,复平面中相角裕度和幅值裕度这里引用了稳定，临界稳定，不稳定的概念。涉及了控制里面的稳定判据问题，奈奎斯特和对数稳定判据是两种常用的稳定判据。h=-gm L（WC)=0,对于伺服性能良好的系统，一般推荐：GM=1020db,=4060。对
8、于二阶欠阻尼系统，开环频域的性能指标通过下式进行计算式中为系统阻尼比,伺服系统校正,计算伺服系统开环频域性能指标后，判断系统是否需要增加校正环节。一般情况下，按照确定的参数来设计的实际系统，都需要校正才能是指标的得到满足。校正的工程方法有根轨迹法和频率法两种。其本质都是引入校正装置，改变系统零极点的分布情况，即改变系统的根轨迹或频率特性的形状，是系统性能得以改善。校正环节有电气校正和机械校正两种。由于电气校正较机械校正容易实现，因此广泛使用电气校正。,校正环节串联在控制系统的前向通道中，形成串联校正；也可与前向通路并联，组成并联校正。,串联校正还分无源RC校正和有源校正两种。无源校正环节结构简
9、单，调整方便，但校正效果较差。（有源）比例为分（PD)（无源）超前校正网络按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式可分为串联校正、反馈矫正、前馈校正和复合校正四种。,常见的几种校正系统,有源校正环节有比例积分（PI）、比例微分（PD）和比例积分微分（PID）等环节。在位置伺服系统中常采用PI校正环节。加入PI校正环节后，伺服系统从原来的只包含一个积分环节的一型系统变成了包含两个积分环节的二型系统。根据控制理论知识，无论输入信号是阶跃信号还是等速斜坡信号，二型系统输出响应的稳态误差都为零，扰动误差也为零。所以加入PI校正环节后，系统误差为零。系统开环传递函数的极点在坐标原点处的个数即为系
10、统的型，一型系统和二型系统分别有一个和两个积分环节。,此外，为了改善伺服电机的调节器性能，许多伺服系统还在速度反馈控制环内设置了一个电流反馈控制环，以控制电枢绕组中的电流。而且速度环和电流环的前向通道中又分别串联一个PI校正环节，使得伺服电机能以恒定的最大电流快速启动，又能使稳态运行时速度为零，从而获得了良好的静态性能。（PMWM的一个PI校正）,控制系统设计,控制系统方案的确定，主要是确定执行元件和伺服控制方式。根据前面讲的元件的选择，校正环节的添加，涉及系统。对于直流伺服电机采用晶体管脉宽调制还是采用晶闸管放大器驱动控制。对于交流伺服电机，应确定是采用矢量控制，还是采用幅值、相位或幅相控制，伺服系统的控制方式有模拟控制和数字控制，每种控制方式又有多种不同的控制算法。像之前同学讲过的PWM（脉冲宽度调制）就是一种模拟控制。另外还应确定是采用软件伺服控制，还是采用硬件伺服控制，以便选择相应的计算机。,
