馬昕教授電力拖動與運動控制課件9--伺服系統(tǒng).ppt

第八章伺服系統(tǒng) 馬昕 北京化工大學計算機模擬與系統(tǒng)安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局危險化學品生產(chǎn)系統(tǒng)故障預防及監(jiān)控基礎(chǔ)實驗室北京化工大學信息科學與技術(shù)學院 主要內(nèi)容 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)常用電機位置控制技術(shù) 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 3 廣義的伺服系統(tǒng)定義 精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng) 狹義的伺服系統(tǒng)定義 利用反饋和誤差修正信號對位置及其派生參數(shù) 速度 加速度等 進行控制的系統(tǒng)其作用是使輸出的機械位移準確復現(xiàn)輸入的位移指令 達到位置的精確控制和軌跡的準確跟蹤 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 4 伺服系統(tǒng)按照所使用的驅(qū)動元件類型可分為 液壓伺服系統(tǒng) 氣動伺服系統(tǒng) 機電伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的控制精度主要決定于所使用的測量元件的精度 采用伺服系統(tǒng)主要為了達到以下目的 以小功率指令信號去控制大功率負載在無機械連接情況下 實現(xiàn)遠距離同步傳動使輸出機械位移精確地執(zhí)行某控制器發(fā)出的運動指令 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 5 坐標系統(tǒng) coordinates 具有6個自由度 包括3個分別稱為X Y Z的直線坐標 以及3個圍繞直線坐標按右手定則形成的旋轉(zhuǎn)坐標A B C 伺服系統(tǒng)中的基本概念 任何空間運動都可分解為沿直線坐標的平移和沿旋轉(zhuǎn)坐標的旋轉(zhuǎn) 一個坐標系統(tǒng)可被看做一個定位平臺 一個伺服系統(tǒng)中往往存在多個定位平臺 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 6 2 最小運動增量 minimumincrementalmotion 和分辨率 resolution 最小運動增量是一個裝置能可靠提供的最小的運動分辨率是系統(tǒng)能夠檢測到的最小的運動增量 3 準確度 精度 accuracy 預期位置與實際位置之差的最大期望值 4 精密度 precision 和重復性 repeatability 精密度一般定義為對于完全相同的輸入 系統(tǒng)多次運行到輸出95 的結(jié)果的偏差范圍重復性是系統(tǒng)在多次運行中到達命令指定位置的能力 伺服系統(tǒng)中的基本概念 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 7 5 跟蹤誤差 followingerror 理想測量裝置測得的實際位置與控制器通過命令要求的預期位置之間的瞬時差值 6 調(diào)整時間 settlingtime 伺服系統(tǒng)接受運動指令后 進入并保持于可接受的指令位置誤差范圍所需花費的時間 7 超調(diào) overshoot 度量欠阻尼系統(tǒng)中的過校正行為 伺服系統(tǒng)中的基本概念 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 8 8 穩(wěn)態(tài)誤差 steady stateerror 控制器完成校正行為后實際位置與指令位置之間的差 9 振動 vibration 系統(tǒng)運行速度接近機械系統(tǒng)的自然頻率時 可能導致結(jié)構(gòu)的振動或振鈴現(xiàn)象 10 運動規(guī)劃 motionprofile 一種以時間 位置和速度描述運動操作的方法 伺服系統(tǒng)中的基本概念 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 9 伺服系統(tǒng)按照執(zhí)行部件的類型可以分類為 開環(huán)伺服系統(tǒng)步進電動機驅(qū)動 無位置反饋和校正環(huán)節(jié)閉環(huán) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服電動機驅(qū)動 使用位移測量和位置比較環(huán)節(jié) 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 10 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 11 伺服系統(tǒng)基本組成 1 位置檢測器 由電位器RP1和RP2組成位置 角位移 檢測器 RP1的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度作為位置給定 RP2的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度作為位置反饋 2 電壓比較放大器 由運算放大器A1和A2組成 A1起反相作用 A2起電壓比較和放大作用 3 功率放大器 電動機供電電源 輸出足以驅(qū)動電動機SM的電壓 要求可逆 4 執(zhí)行機構(gòu) 直 交流伺服電動機 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 12 相同點 都可以通過對代表系統(tǒng)輸出量的反饋量和給定量進行比較 組成閉環(huán)控制 兩者控制原理相同 伺服系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的比較 不同點 調(diào)速系統(tǒng)為了維持輸出轉(zhuǎn)速的恒定 抗擾性能是其主要性能指標伺服系統(tǒng)要求其輸出量準確跟蹤或復現(xiàn)給定量 跟隨性能是其主要性能指標 伺服系統(tǒng)可以在調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上外加一個位置環(huán)構(gòu)成 位置環(huán)是伺服系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特征 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 13 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 14 伺服系統(tǒng)按照機械運動的軌跡可以分類為 1 點位控制 positioncontrol 點到點控制 pointtopointcontrol 從某一位置向另一位置移動時 不管中間的移動軌跡如何 只要最后能正確到達目標位置即可 2 直線控制 straitcontrol 平行控制 parallelcontrol 除控制點到點的準確位置之外 還要保證兩點之間移動的軌跡是一條直線 同時控制移動速度 3 輪廓控制 contouringcontrol 連續(xù)軌跡控制 continuouspathcontrol 對兩個或多個運動坐標的位移及速度進行連續(xù)相關(guān)的控制 可進行曲線或曲面運動 一 伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 15 輪廓控制本質(zhì)上屬于位置伺服控制 加工程序本質(zhì)上就是對刀具的連續(xù)運動軌跡及其運動特性的描述 插補 數(shù)控機床 機器人行走 主要內(nèi)容 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 16 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)常用電機步進電動機伺服電動機位置控制技術(shù) 步進電機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 17 步進電動機是一種完成增量運動的電磁機械 特點 接受數(shù)字控制信號 電脈沖信號 把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移 步進電機輸出角位移與輸入的指令脈沖數(shù)成正比轉(zhuǎn)速與指令脈沖的頻率成正比旋轉(zhuǎn)方向取決于脈沖順序 步進電機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 18 步進電動機最基本的運行方式 開環(huán)系統(tǒng)增量式位置控制系統(tǒng) 步進電機分類 磁阻式 反應式 步進電機 轉(zhuǎn)子上無繞組永磁式步進電機 轉(zhuǎn)子是永磁體 磁阻式步進電機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 19 利用磁通試圖尋找磁阻最小的路徑來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的特性 定子裝有3相勵磁繞組轉(zhuǎn)子上有4個齒每個時刻 給某一相繞組通電 其它兩相繞組不通電 磁阻式步進電動機工作原理 步進電機的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組通電的順序 電機的轉(zhuǎn)速取決于繞組通電的頻率 磁阻式步進電機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 20 工作方式 單三拍工作方式A B C A 順序供電 雙三拍工作方式AB BC CA AB 順序供電 單雙六拍工作方式A AB B BC C CA A 順序供電供電順序相反 則步進方向相反 永磁式步進電機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 21 采用永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 使定子脈沖電流產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 帶動負載運行 徑向充磁的轉(zhuǎn)子 定子每段有一個雙繞線圈 公共點引出來接電源 永磁式步進電動機 永磁式步進電機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 22 工作過程 第1拍 S1 S3閉合 轉(zhuǎn)子箭頭指向1 第2拍 S2 S3閉合 第3拍 S2 S4閉合 第4拍 S4 S1閉合 每拍轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)900 4拍完成1個循環(huán) 永磁式步進電動機工作原理 永磁式步進電機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 23 單極式驅(qū)動 定子繞組只能通過一個方向的電流雙極式驅(qū)動 定子繞組中的電流可以正反向流動 永磁式步進電動機工作原理 2 伺服電動機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 24 伺服電動機的作用是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出 伺服電動機的最大特點是有控制電壓時轉(zhuǎn)子立刻旋轉(zhuǎn) 無控制電壓時轉(zhuǎn)子立刻停轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速由控制電壓的方向和大小決定 伺服電動機分為直流 交流兩類 交流伺服電動機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 25 定子上有兩相繞組 一相繞組為勵磁繞組 另一相繞組為控制繞組 兩相繞組垂直安裝 轉(zhuǎn)子分為 a 鼠籠型高電阻率材料制成 轉(zhuǎn)動慣量大b 空心杯型非磁性材料制成杯形 轉(zhuǎn)動慣量小 響應迅速 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)圖 交流伺服電動機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 26 當有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流不同相時 氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并且產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn) 對伺服電動機的要求 在控制電壓作用下就能啟動 電壓消失后應能立即停轉(zhuǎn) 無控制電壓時 氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場 因無相對運動 轉(zhuǎn)子上沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動 直流伺服電動機 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 27 直流伺服電動機實質(zhì)上是容量較小的普通直流電動機 一般都是他勵直流電動機工作原理也和直流電動機一樣 Te CT mIa 它在性能方面的獨到之處是調(diào)速范圍寬 線性特性好 啟動轉(zhuǎn)矩大 響應速度快適用特殊場合 小功率 輸出角位移 經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行 主要內(nèi)容 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 28 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)常用電機位置控制技術(shù) 三 位置控制技術(shù) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 29 位置控制是伺服控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)的基本功能 位置控制的職能 精確地控制機械運動部件的坐標位置通過數(shù)控計算機將插補計算得出的各軸的位移量送入位置控制單元 位置控制單元根據(jù)位移量的大小產(chǎn)生進給速度指令 實現(xiàn)快速準確地跟蹤位置指令的運動 位置控制系統(tǒng)分為 開環(huán)控制系統(tǒng) 步進電動機驅(qū)動 無需位置檢測與反饋閉環(huán)控制系統(tǒng) 交直流伺服電動機驅(qū)動 需要位置檢測與反饋 步進電動機相關(guān)控制技術(shù) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 30 步進電機與交直流電機的不同之處在于 僅僅接上供電電源它是不會運行的 步進電動機的控制和驅(qū)動 步進電動機是一種增量運動的電磁執(zhí)行元件將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動 可以控制步進電動機的輸出步數(shù)和輸入指令的電脈沖數(shù)相等 所以可用步進電動機進行開環(huán)控制 步進電動機相關(guān)控制技術(shù) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 31 步進電動機主要由步進控制器 功率放大器和步進電機組成 純硬件的步進控制器由脈沖發(fā)生器 環(huán)行分配器 控制邏輯等組成 步進控制器的作用是把代表轉(zhuǎn)速的脈沖串分配給步進電動機的各個繞組 讓步進電動機按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn) 步進電動機的控制和驅(qū)動 步進電動機相關(guān)控制技術(shù) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 32 脈沖發(fā)生器是產(chǎn)生步進電動機角位移或速度的控制脈沖電路步進電動機運行的轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)速由脈沖發(fā)生器的脈沖頻率確定 轉(zhuǎn)角正比于輸入的脈沖數(shù) 對應于脈沖信號數(shù)量脈沖發(fā)生器可以用微處理器代替脈沖分配器是一種時序邏輯電路 它接受脈沖發(fā)生器的控制脈沖信號 輸出按一定時序排列的多路電平信號通常電機的脈沖分配器為環(huán)形分配器 多采用集成電路來組成 也可以用微處理器代替 1 脈沖發(fā)生器和脈沖分配器 步進電動機相關(guān)控制技術(shù) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 33 驅(qū)動電路是功率放大器 將脈沖分配器送來的觸發(fā)信號放大 以足夠的功率來驅(qū)動步進電機 2 單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動電路 基于微控制器的步進電動機控制 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 34 步進電動機的串行控制 1 串行控制的步進驅(qū)動 控制轉(zhuǎn)動角度 電平輸入信號控制轉(zhuǎn)動方向 缺點 必須采用硬件的環(huán)行分配器 定時中斷時間常數(shù)調(diào)整轉(zhuǎn)速 步進電動機運動系統(tǒng)相關(guān)控制技術(shù) 基于微控制器的步進電動機控制 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 35 2 并行控制的步進驅(qū)動 利用8031的定時中斷和軟件設(shè)計取代硬件設(shè)計中的脈沖發(fā)生器和環(huán)行分配器 電動機轉(zhuǎn)速由定時中斷時間常數(shù)決定 步進電動機運動系統(tǒng)相關(guān)控制技術(shù) 基于微控制器的步進電動機控制 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 36 3 步進電動機的加減速控制 啟動 極限啟動頻率 要求運行的速度小于系統(tǒng)的極限啟動頻率 系統(tǒng)可直接啟動 通常要求的運行速度遠大于極限啟動頻率 若直接啟動可能會丟步或無法啟動 制動 到達終點時突然停發(fā)脈沖串 系統(tǒng)會因慣性原因沖過終點 步進電動機運動系統(tǒng)相關(guān)控制技術(shù) 基于微控制器的步進電動機控制 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 37 升速規(guī)律 1 按照直線規(guī)律升速加速度恒定2 按照指數(shù)規(guī)律升速加速度逐漸降低 用微機對步進電動機進行加減速控制 實際上就是改變輸出時鐘脈沖的時間間隔 用定時器中斷方式控制電動機的速度 加減速控制還需下列數(shù)據(jù) 加減速斜率 升速過程總步數(shù) 恒速運行總步數(shù) 減速運行總步數(shù) 步進電動機運動系統(tǒng)相關(guān)控制技術(shù) 3 步進電動機的加減速控制 步進電動機點位控制加減速過程 伺服電動機位置閉環(huán)控制 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 38 比較環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進行比較 兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差 經(jīng)驅(qū)動線路控制執(zhí)行元件帶動機械位移 直到跟隨誤差為0 根據(jù)比較環(huán)節(jié)的不同 閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)也有多種形式 鑒相式伺服系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng) 數(shù)字比較式伺服系統(tǒng) 發(fā)展方向 由硬件組成的比較環(huán)節(jié)被由軟件實現(xiàn)的位置控制環(huán)取代 伺服電動機的閉環(huán)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成 執(zhí)行元件 交直流伺服電動機 液壓馬達 反饋檢測單元 比較環(huán)節(jié) 驅(qū)動線路 機械運動機構(gòu) 鑒相式伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 39 基準信號發(fā)生器 輸出一列具有一定頻率的脈沖信號 為伺服系統(tǒng)提供相位比較的基準 脈沖調(diào)相器 數(shù)字相位轉(zhuǎn)換器 將來自主機的進給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號 檢測元件及信號處理線路 將工作臺的位移量檢測出來并表達成與基準信號之間的相位差 鑒相器 鑒別輸入誤差信號 輸出與該相位差成正比的電壓信號兩路輸入信號 一路來自脈沖調(diào)相器的指令進給信號一路來自檢測元件及信號處理線路的反饋信號 伺服電動機運動系統(tǒng)位置閉環(huán)控制 鑒相式伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 40 在鑒相器中指令信號和反饋信號相比較 求出跟隨誤差 經(jīng)放大后送入驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動使工作臺移動 指令脈沖是按進給量連續(xù)輸出脈沖 反饋脈沖跟隨輸出 只要有脈沖輸入 立即產(chǎn)生跟隨誤差 使工作臺移動 選用不同的檢測元件 對其控制和輸出信號處理方法均有所不同 伺服電動機運動系統(tǒng)位置閉環(huán)控制 鑒幅式伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 41 鑒幅式伺服系統(tǒng)與鑒相式伺服系統(tǒng)的主要區(qū)別有兩點 其測量元件是以鑒幅工作方式工作的 比較器比較的是數(shù)字脈沖量而不是相位信號 測量元件及信號處理線路 將工作臺的機械位移檢測出來并轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖量 傳感器輸出幅值為正弦信號的反映位移量的電壓 此正弦信號經(jīng)濾波 放大 檢波 整流之后 變成方向與工作臺移動方向相對應 幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號 此過程稱為解調(diào) 伺服電動機運動系統(tǒng)位置閉環(huán)控制 鑒幅式伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 42 比較器有兩路輸入信號 一路來自主機插補軟件的進給脈沖 代表主機要求機械裝置移動的位移量另一路來自測量元件及信號處理線路 體現(xiàn)工作臺實際移動的距離 D A轉(zhuǎn)換電路 將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為直流電壓信號 該信號經(jīng)驅(qū)動線路進行電壓和功率放大 驅(qū)動執(zhí)行元件帶動工作臺移動 伺服電動機運動系統(tǒng)位置閉環(huán)控制 數(shù)字比較式伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 43 指令信號 主機提供 可以是數(shù)碼信號也可以是脈沖數(shù)字信號反饋測量信號 機械實際位移信號比較器 完成指令信號與測量反饋信號比較脈沖數(shù)字 數(shù)碼轉(zhuǎn)換 依據(jù)比較器功能以及指令信號和反饋信號的性質(zhì)而決定驅(qū)動及執(zhí)行部件 根據(jù)比較器的輸出帶動機械位移 伺服電動機運動系統(tǒng)位置閉環(huán)控制 數(shù)字比較式伺服系統(tǒng) 2020 3 14 第八章伺服系統(tǒng) 44 數(shù)字比較系統(tǒng)中常使用的位置測量反饋元件為光電編碼器 可提供數(shù)字脈沖序列或數(shù)碼信號 常用的數(shù)字比較器為這兩種形式的三類組合 數(shù)碼比較器 數(shù)字脈沖比較器 數(shù)碼與數(shù)字脈沖比較器 比較器的輸出反映了指令信號和反饋信號的差值 以及差值的方向