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1、,閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計,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,反饋到系統(tǒng)的輸入端并與指令進(jìn)行比較,得出誤差信號的大小,然后按照減小誤差的 方向控制驅(qū)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(bǔ)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(bǔ)償,精度高, 環(huán)外傳動誤差
2、得不到補(bǔ)償, 但易造成系統(tǒng)動蕩,不穩(wěn)定。 精度降低,構(gòu)造簡單,穩(wěn)定,,下面這個系統(tǒng)是一種教學(xué)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(jī)、ADT850運動控制卡;(2)松下MINAS A4系列交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電機(jī)組成驅(qū)動部分;(3)負(fù)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(fù)載的系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計比開環(huán)復(fù)雜。設(shè)計步驟類似。因為半閉環(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,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(jī)驅(qū)動。位置反饋不直接檢測工作臺的位置量,而是直接采用轉(zhuǎn)角位移檢測元件(如光柵等),檢測伺服電機(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,(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(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);需要快速動作的選用空心杯電樞直流伺服電機(jī);低速運行和啟動、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(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(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,常見的功率范圍是數(shù)千瓦以上。 交流伺服電機(jī)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(jī))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(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)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(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,同時測量電機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)動速度。,,伺服系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計,伺服系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計主要包括確定執(zhí)行元件(電機(jī))的型號和參數(shù)、傳動結(jié)構(gòu)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(shè)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(xué)模型,分析系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo),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(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(biāo)通過下式進(jìn)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(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)計的實際系統(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(yīng)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(biāo)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(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(jī)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(shè)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(jī)采用晶體管脈寬調(diào)制還是采用晶閘管放大器驅(qū)動控制。對于交流伺服電機(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)的計算機(jī)。,,