閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)設(shè)計ppt課件

1、1,第五節(jié) 閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計,當(dāng)系統(tǒng)精度要求較高或負載較大時，開環(huán)伺服系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時應(yīng)采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng),從控制原理上講，閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制是一樣的，都要對系統(tǒng)輸出進行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制,兩者的區(qū)別僅在于傳感器檢測信號位置的不同，因而導(dǎo)致設(shè)計、制造的難易程度不同及工作性能的不同，但兩者的設(shè)計與分析方法是基本上一致的,2,3,一、系統(tǒng)方案設(shè)計,當(dāng)系統(tǒng)精度要求很高時，應(yīng)采用閉環(huán)控制方案,閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大，成本高，尤其是機械系統(tǒng)的動態(tài)性能難于提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性難于保證。因而除非精度要求很高時，一般應(yīng)采用半閉環(huán)控制方案。目前大多數(shù)數(shù)控

2、機床和工業(yè)機器人中的伺服系統(tǒng)都采用半閉環(huán)控制,二)執(zhí)行元件的選擇,直流伺服電動機、交流伺服電動機或伺服閥控制的液壓伺服馬達作為執(zhí)行元件,一)閉環(huán)或半閉環(huán)控制方案的確定,4,三)檢測反饋元件的選擇,常用的位置檢測傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、碼盤、光電脈沖編碼器、光柵尺、磁尺等,被測量為直線位移，應(yīng)選尺狀的直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應(yīng)同步器等。 被測量為角位移，應(yīng)選圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤等,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)行元件的速度進行反饋控制，因而還要選用速度傳感器。交、直流伺服電動機常用的速度傳感器為測速發(fā)電機。

3、目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，也常采用光電脈沖編碼器，既測量電動機的角位移，又通過計時而獲得速度,5,四)機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)方案的確定,機械傳動與執(zhí)行機構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上與開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)基本一樣，即由執(zhí)行元件通過減速器和滾動絲杠螺母機構(gòu)，驅(qū)動工作臺運動,控制系統(tǒng)方案的確定： 主要包括執(zhí)行元件控制方式的確定和系統(tǒng)伺服控制方式的確定,對于直流伺服電動機，應(yīng)確定是采用晶體管脈寬調(diào)制(PWM)控制，還是采用晶閘管(可控硅)放大器驅(qū)動控制。對于交流伺服電動機，應(yīng)確定是采用矢量控制，還是采用幅值、相位或幅相控制,6,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。 還應(yīng)確定是采用軟件

4、伺服控制，還是采用硬件伺服控制，以便據(jù)此選擇相應(yīng)的計算機,7,二、系統(tǒng)性能分析,一)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,8,9,10,二)數(shù)學(xué)模型的簡化,1簡化成一階系統(tǒng),假如系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)都是理想的，沒有慣性，沒有阻尼，剛性為無窮大,11,K值大的伺服系統(tǒng)稱為硬伺服或高增益系統(tǒng)，K值小的稱為軟伺服或低增益系統(tǒng),12,2簡化成二階系統(tǒng),當(dāng)機械系統(tǒng)的剛度非常大，慣性非常小，其固有頻率遠遠大于伺服電動機固有頻率時，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性就主要取決于伺服電動機速度環(huán)的動態(tài)特性,13,采用大慣量直流伺服電動機的中小型伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)大多數(shù)都屬于這種情況,14,3簡化成三階系統(tǒng),當(dāng)機械系統(tǒng)固有頻率遠低于伺服電動機固

5、有頻率時，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于機械系統(tǒng)，則系統(tǒng)可簡化成三階系統(tǒng),屬于這種情況的有： 小慣量直流伺服電動機的中小型伺服系統(tǒng)或大慣量直流伺服電動機的大型伺服系統(tǒng),15,三)系統(tǒng)穩(wěn)定性及快速響應(yīng)性分析,利用數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)性能進行分析，找出系統(tǒng)各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響關(guān)系，以便在設(shè)計時合理選擇各參數(shù),1.一階系統(tǒng)分析,16,17,如取位置傳感器的比例系數(shù)Kp1,18,19,1.二階系統(tǒng)分析,20,3三階系統(tǒng)分析,比例、積分環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻及相頻特性表達式為,21,振蕩環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻及相頻特性表達式為,22,四)系統(tǒng)精度分析,系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，其輸出位移與輸入指令信號之間的穩(wěn)態(tài)誤差為,式中： 1與系

6、統(tǒng)的構(gòu)成環(huán)節(jié)及輸入信號形式有關(guān)的誤差，稱為跟蹤誤差； 2由負載擾動所引起的穩(wěn)態(tài)誤差,23,1跟蹤誤差,位置伺服系統(tǒng)屬于I型系統(tǒng)。 系統(tǒng)在跟蹤階躍輸入時的跟蹤誤差10mm； 在跟蹤等速斜坡輸入時，其跟蹤誤差為,式中： v輸入的速度指令(mms)； K系統(tǒng)的開環(huán)增益(s-1,24,2負載擾動所引起的誤差,對于I型系統(tǒng)，由負載擾動所引起的穩(wěn)態(tài)誤差2(mm)可用下式計算,式中： K3 機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)(mmrad)， K3p(2i) ； Tl 折算到電動機軸上的干擾轉(zhuǎn)矩(Nm)； KR系統(tǒng)伺服剛度或稱力增益(Nmrad)，它定義為干擾轉(zhuǎn)矩T1與由Tl引起的電動機輸出角位移的誤差之比,Kd是伺服電動機

7、的內(nèi)阻尼系數(shù)，可直接由電動機樣本查得,25,三、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計,一)系統(tǒng)開環(huán)增益K,通常情況下，K值在850s-1范圍內(nèi)選取，具體取值大小還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)控制方式、執(zhí)行元件類型、工作臺質(zhì)量及導(dǎo)軌阻尼特性等來確定。 對于點位直線控制的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)，K值常取為815s-1， 對于連續(xù)控制的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)，K值常取為25s-1左右,26,在閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)中，通常都采用速度負反饋回路，系統(tǒng)的開環(huán)增益為,在無速度反饋信號時，系統(tǒng)的開環(huán)增益為,低增益伺服系統(tǒng)在運動時開環(huán)增益比較低，但在靜止?fàn)顟B(tài)時，由于速度負反饋回路不起作用，因而相當(dāng)于具有較高的開環(huán)增益。所以，低增益伺服系統(tǒng)并不影響其啟動時的快速

8、響應(yīng)性和制動時的定位精度,27,采用計算機控制的伺服系統(tǒng)還常通過變開環(huán)增益的方法來改善系統(tǒng)性能,在系統(tǒng)響應(yīng)的開始階段，采用較高的開環(huán)增益，使系統(tǒng)響應(yīng)加快，曲線上升變陡； 在系統(tǒng)響應(yīng)接近穩(wěn)態(tài)值時，減小開環(huán)增益，使系統(tǒng)平穩(wěn)、無超調(diào)、而且快速地趨近于穩(wěn)態(tài)值,28,二)系統(tǒng)阻尼比,對于二階系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)允許的最大超調(diào)量Mp(251.5)時， 可在0.40.8范圍內(nèi)選取,29,影響系統(tǒng)阻尼比的主要因素是導(dǎo)軌阻尼比,對滾動導(dǎo)軌預(yù)加載荷，加設(shè)阻尼器等，或通過降低系統(tǒng)開環(huán)增益及采用速度負反饋回路的方法來增加阻尼比,增加系統(tǒng)阻尼比措施,三)系統(tǒng)固有頻率n,提高固有頻率有利于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性，減小各種因素

9、引起的誤差，提高抗干擾能力，但固有頻率的提高往往受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成本等條件限制。一般情況下，主要按系統(tǒng)穩(wěn)定性要求來確定各環(huán)節(jié)的固有頻率,30,對于三階系統(tǒng)，為保證其穩(wěn)定性,若要保證系統(tǒng)具有大于10dB的幅值穩(wěn)定裕度，則要求,31,一般情況下，伺服系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有頻率都應(yīng)滿足如下要求： 1)機械系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于驅(qū)動系統(tǒng)的固有頻率23倍 2)位置環(huán)以外的其它機械部件的固有頻率應(yīng)比位置環(huán)內(nèi)各部件的固有頻率高23倍。 3)如在位置環(huán)內(nèi)還有速度環(huán)，則速度環(huán)的幅頻交界頻率應(yīng)高于系統(tǒng)截止頻率c，驅(qū)動系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于速度環(huán)的幅頻交界頻率。 4)系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)不應(yīng)包含有各環(huán)節(jié)的固有頻率，以免在擾動影響下發(fā)生共振。 5)各環(huán)節(jié)的固有頻率應(yīng)相互錯開一定距離，以免振動耦合,32,四、通過校正環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)性能,校正環(huán)節(jié)有電氣的和機械的兩種,五、伺服電動機動力參數(shù)確定,一)伺服電動機負載轉(zhuǎn)矩的計算,33,二)電動機最大轉(zhuǎn)矩的確定,伺服電動機在快速啟動時的負載轉(zhuǎn)矩一般比正