激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第一章第十二節(jié)講解

1、第十二節(jié)伺服系統(tǒng)一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述伺服一詞來自英文單詞 Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素 包括位置、速度和力矩。在數(shù)控機(jī)床中伺服系統(tǒng)一般有主軸伺服系統(tǒng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)。主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。但當(dāng)要求機(jī)床有螺紋加工、準(zhǔn)停和恒線速加工等功能時(shí)，對(duì)主軸也提出了相應(yīng)的位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉(zhuǎn)矩段及恒功率段，有準(zhǔn)?？刂?，主軸與進(jìn)給聯(lián)動(dòng)。主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)。隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代。而在激光機(jī)床設(shè)備中，主軸伺服一般由激

2、光器組成。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是一個(gè)很典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)， 主要由位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動(dòng)元件 （電機(jī)）、檢測與反饋單 元和機(jī)械執(zhí)行部件幾個(gè)部分組成。機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)有以下幾方面的要求：1. 調(diào)速范圍要寬調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比，即on maxRn _n1 !min式中，Rn為調(diào)速范圍，nmax和nmin分別為生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速，一般都指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速（對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可以是實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速）。在數(shù)控機(jī)床中，往往加工刀具、被加工材質(zhì)以及零件加工要求不冋，為保證在任何情況

3、下都能得到最佳切削條件， 就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。實(shí)現(xiàn)如此寬的調(diào)速范圍是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。2.輸出位置精度要咼為了保證加工出高精度零件，進(jìn)給伺服系統(tǒng)必須具有足夠高的精度。常用的精度指標(biāo)是定位精度和零件的綜合加工精度：定位精度是指工作臺(tái)或刀架由某點(diǎn)移到另一點(diǎn)時(shí)，指令值與實(shí)際移動(dòng)距離的最大差值；綜合加工精度是指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸的誤 差。伺服系統(tǒng)要具有較好的靜態(tài)特性和較高的伺服剛度，才能達(dá)到較高的定位精度，以保證機(jī)床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差（目前進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分辨率可達(dá)1或0.1 ，甚至0.01 ）。同時(shí)伺服系統(tǒng)還要具有較好的動(dòng)態(tài)性能，以保證機(jī)床具有較

4、高的輪廓跟隨精度。影 響伺服系統(tǒng)工作精度的參數(shù)很多，關(guān)系也很復(fù)雜，因數(shù)控裝置的精度完全能滿足機(jī)床的精度要求，故機(jī)床本身精度，尤其是伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度是影響伺服系統(tǒng)工作精 度的主要因素。3低速大扭矩根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速進(jìn)行重切削，即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出， 這就要求動(dòng)力源盡量靠近機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而可縮短進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)鏈，使傳動(dòng)裝置的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)簡化，系統(tǒng)剛性增加，從而也使傳動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)質(zhì)量和中間傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)精度得到 提高。4.響應(yīng)速度快且無超調(diào)為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，在啟、制動(dòng)時(shí)，要求加、減速加速度足夠大，以縮短 伺服系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間 （一般電動(dòng)機(jī)的速度

5、從零變到最高轉(zhuǎn)速，或從最高轉(zhuǎn)速降至零的時(shí)間小于200 ms）,減小輪廓過渡誤差。一般說來，系統(tǒng)增益大，時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)快，但是 加大系統(tǒng)增益將增大超調(diào)量，延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使過渡過程性能指數(shù)下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；若減小系統(tǒng)增益，又會(huì)增加穩(wěn)態(tài)誤差。 這就要求伺服系統(tǒng)要能快速響應(yīng)，但又不能超調(diào)，否則將形成過切，影響加工質(zhì)量。所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選擇系統(tǒng)增益，以便獲得合理的響應(yīng)速度。同時(shí)，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間也要短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的加 工表面。5 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是伺服系統(tǒng)能否正常工作的前提，特別要求數(shù)控機(jī)床在低速進(jìn)給情況下不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，并要求負(fù)載變化而不產(chǎn)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的

6、慣性、剛性、阻尼及增益等有關(guān)， 應(yīng)適當(dāng)選擇上述各項(xiàng)參數(shù)，以達(dá)到最佳工作性能。對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)，影響機(jī)床加工過程 的伺服特性是穩(wěn)態(tài)特性，而影響穩(wěn)態(tài)特性的兩個(gè)重要參數(shù)是系統(tǒng)增益和伺服剛度。二、伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)等；按控制方式劃分有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等。數(shù)控系統(tǒng)也分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種類型，就是與伺服系統(tǒng)的這三種方式相關(guān)。1. 開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，沒有位置反饋回路和速度反饋回路，因此 設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小，主要用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī) 床。

7、開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是沒有位置測量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置t進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。圖1-55是開環(huán)伺服系統(tǒng)的組成框圖。圖1-55 開環(huán)伺服系統(tǒng)框圖2. 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)主要有執(zhí)行元件、檢測元件、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和被控對(duì)象五部分組成。其構(gòu)成款圖如圖1-56所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測單元將被控對(duì)象移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測出 來并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較和控制單元。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼器等。通常我們把安裝在電機(jī)軸端的檢測單元組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)，而把安裝在被控對(duì)象上的檢測單元組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于電機(jī)軸端和被控對(duì)象之間傳動(dòng)誤差的存在，半閉環(huán)伺服

8、系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。:位置控制單元 CNCffi !+補(bǔ)因一指令1圖1-56閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖楡測與反懺儻且控制調(diào)節(jié) 器際度饋實(shí)速反:機(jī)械執(zhí)行部件際K饋實(shí)位反比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)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(dòng)電路、執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨誤差為零。由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)比較微弱，不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，故需對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng) 電路為此而設(shè)的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào)將表示位移的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的部件。常用的 執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等。三、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。對(duì)應(yīng)每一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電機(jī)就

9、旋轉(zhuǎn)一個(gè)規(guī)定角度(步距角)。步進(jìn)電機(jī)外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-57所示。(a)步進(jìn)電機(jī)外觀簾于轉(zhuǎn)干1出力軸轉(zhuǎn)予2(b)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)A相c+gQ相E用圖1-57 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是：來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn) 一個(gè)步距角。控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。改變脈沖順序，改變方向。我們以三相 步進(jìn)電機(jī)為例說明其結(jié)構(gòu)和工作方式步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成。圖1-58步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1-58是最常見的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的剖面示意圖。電機(jī)的定子上有六個(gè)均布的 磁

10、極，其夾角是600。各磁極上套有線圈，連成 A、B、C三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布 40個(gè)小齒。 所以每個(gè)齒的齒距為0 E=360o/40=9o而定子每個(gè)磁極的極弧上也有5個(gè)小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是30和40,其比值是一分?jǐn)?shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯(cuò)位的情況。若以A相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對(duì)齊，如圖1，那么B相和C相磁極的齒就會(huì)分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的齒距，即3q因此，B、C極下的磁阻比A磁極下的磁阻大。若給 B相通電，B相繞組產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，直到B磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒

11、對(duì)齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30；此時(shí)A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開三分之一齒距。接著停止對(duì) B相繞組通電，而改為 C相繞組通電，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用， 轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向再轉(zhuǎn)過 3a依次類推，當(dāng)三相繞組按At Bt CA順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)按順時(shí)針方向，以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3o的規(guī)律步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)起來。若改變通電順序，按At Ct BtA順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針方向以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)30的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槊恳凰查g只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運(yùn)行方式。單三拍運(yùn)行時(shí)的步矩角0 b為30c。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運(yùn)行，即按A4 BCT Cat AB順

12、序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運(yùn)行，即按At ABt Bt BCt Ct CAtA順序循環(huán)通電的方式。六拍運(yùn)行時(shí)的步矩角將減小一半。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式計(jì)算：0 b=360o/NEr式中 Er 轉(zhuǎn)子齒數(shù)；N運(yùn)行拍數(shù)，N=km , m為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組相數(shù)，k=1或2。四、交流伺服電動(dòng)機(jī)原理伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似。如圖

13、1-59 所示其定子上裝有兩個(gè)位置互差 90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組 Rf,它始終接在交流電壓 Uf上； 另一個(gè)是控制繞組 L,聯(lián)接控制信號(hào)電壓 Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。圖1-59交流伺服電動(dòng)機(jī)示意圖交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0

14、.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒有控制電壓時(shí)， 定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場， 轉(zhuǎn)子靜止不 動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化， 當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)， 伺服電動(dòng) 機(jī)將反轉(zhuǎn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：1. 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖1-60中曲線1所示

15、，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S。1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓， 轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。圖1-60伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性2. 運(yùn)行范圍較廣如圖1-60所示，較差率 S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動(dòng)機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。3無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控 制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)， 由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與 轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1 S1、T2 S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性 （T S曲線）6

16、如圖1-61所示，與普通的單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性（圖中T' S曲線）不同。這時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩T是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。7圖1-62是伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性曲線。負(fù)載一定時(shí)，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時(shí)，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降。交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz,電壓有36V、110V、220、380V ;當(dāng)電源頻率為 400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。不同類型的交流伺服電動(dòng)機(jī)具有不同的特點(diǎn)?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)具有勵(lì)磁電流較小、體積較小、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)；但是低速運(yùn)行不夠平穩(wěn)，有抖動(dòng)現(xiàn)象?？招?/p>

17、杯形轉(zhuǎn)子交 流伺服電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行平滑、噪聲小、沒有無線電干擾、 無抖動(dòng)現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)；但是勵(lì)磁電流較大， 體積也較大，轉(zhuǎn)子易變形，性能上不及直流伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。 但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大， 損耗 大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比， 體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W 的小功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中，頻率有 50Hz、400Hz等多種。五、交流伺服系統(tǒng)的控制方式交流伺服控制器主要由速度控制器、電流控制器和PWM生成電路組成。控制方式上交流伺服控制用脈沖串和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)。交流伺服控制系統(tǒng)有三種控制方式：速度控制、轉(zhuǎn)

18、矩控制和位置控制。伺服系統(tǒng)內(nèi)部有三個(gè)控制環(huán)：電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制三種控制方式分別基于以上三個(gè)控制環(huán)。1. 基于電流環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制方式它是最內(nèi)環(huán)。此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行， 通過霍爾裝置檢測驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相 的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電 流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。2. 基于速度環(huán)的速度控制方式通過檢測的電機(jī)編碼器的信號(hào)來進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi) PID輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，

19、電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的相應(yīng)控制。3. 基于位置環(huán)的位置控制方式它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最 終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情況來定。 由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有三個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。六、伺服驅(qū)動(dòng)器的基本參數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)器的主要參數(shù)有位置比例增益、速度比例增益、 PID 參數(shù)、慣量比等。1. 位置比例增益設(shè)定位置環(huán)調(diào)節(jié)器的比例增益。 設(shè)置值越大， 增益越高， 剛度越大，相同頻率指令脈沖 條件下， 位置滯后量越小

20、。 但數(shù)值太大可能會(huì)引起振蕩或超調(diào)。 參數(shù)數(shù)值由具體的伺服系統(tǒng) 型號(hào)和負(fù)載情況確定。2. 位置前饋增益設(shè)定位置環(huán)的前饋增益。 設(shè)定值越大時(shí)， 表示在任何頻率的指令脈沖下， 位置滯后量越 小位置環(huán)的前饋增益大， 控制系統(tǒng)的高速響應(yīng)特性提高， 但會(huì)使系統(tǒng)的位置不穩(wěn)定， 容易產(chǎn) 生振蕩。不需要很高的響應(yīng)特性時(shí)，本參數(shù)通常設(shè)為 0 表示范圍： 0100% 。3. 速度比例增益 設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的比例增益。設(shè)置值越大，增益越高，剛度越大。 參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載值情況確定。一般情況下，負(fù)載慣量越大，設(shè)定值越大。 在系統(tǒng)不 產(chǎn)生振蕩的條件下，盡量設(shè)定較大的值。4. 速度積分時(shí)間常數(shù) 設(shè)定

21、速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。 設(shè)置值越小， 積分速度越快。 參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的伺 服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載情況確定。一般情況下，負(fù)載慣量越大，設(shè)定值越大。在系統(tǒng)不產(chǎn)生 振蕩的條件下，盡量設(shè)定較小的值。 。5. 速度反饋濾波因子 設(shè)定速度反饋低通濾波器特性。 數(shù)值越大，截止頻率越低，電機(jī)產(chǎn)生的噪音越小。 如果 負(fù)載慣量很大，可以適當(dāng)減小設(shè)定值。數(shù)值太大，造成響應(yīng)變慢，可能會(huì)引起振蕩。數(shù)值越 小，截止頻率越高，速度反饋響應(yīng)越快。如果需要較高的速度響應(yīng)，可以適當(dāng)減小設(shè)定值。6. 最大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置 設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩限制值。 設(shè)置值是額定轉(zhuǎn)矩的百分比， 任何時(shí)候， 這個(gè)限制 都有效定位完成范圍設(shè)定位置

22、控制方式下定位完成脈沖范圍。 本參數(shù)提供了位置控制方式下 驅(qū)動(dòng)器判斷是否完成定位的依據(jù)， 當(dāng)位置偏差計(jì)數(shù)器內(nèi)的剩余脈沖數(shù)小于或等于本參數(shù)設(shè)定 值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器認(rèn)為定位已完成，到位開關(guān)信號(hào)為 ON ，否則為 OFF。在位置控制方式時(shí)，輸出位置定位完成信號(hào)，加減速時(shí)間常數(shù)設(shè)置值是表示電機(jī)從 02000r/min 的加速時(shí)間或從 20000r/min 的減速時(shí)間。加減速特性是線性的到達(dá)速度范圍 設(shè)置到達(dá)速度在非位置控制方式下， 如果伺服電機(jī)速度超過本設(shè)定值， 則速度到達(dá)開關(guān)信號(hào) 為ON，否則為 OFF。在位置控制方式下，不用此參數(shù)。與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。7. 手動(dòng)調(diào)整增益參數(shù)調(diào)整速度比例增益 KVP 值。當(dāng)伺

23、服系統(tǒng)安裝完后，必須調(diào)整參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。 首先調(diào)整速度比例增益 KVP 值調(diào)整之前必須把積分增益 KVI 及微分增益 KVD 調(diào)整至零， 然后將 KVP 值漸漸加大； 同時(shí)觀察伺服電機(jī)停止時(shí)足否產(chǎn)生振蕩， 并且以手動(dòng)方式調(diào)整 KVP 參數(shù)，觀察旋轉(zhuǎn)速度是否明顯忽快忽慢 KVP 值加大到產(chǎn)生以上現(xiàn)象時(shí)，必須將 KVP 值往 回調(diào)小，使振蕩消除、旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定。此時(shí)的 KVP 值即初步確定的參數(shù)值。如有必要，經(jīng)K W和KVD調(diào)整后，可再作反復(fù)修正以達(dá)到理想值。調(diào)整積分增益 KW值。將積分增益 KVI值漸漸加大，使積分效應(yīng)漸漸產(chǎn)生。由前述對(duì)積分控制的介紹可看出， KVP 值配合積分效應(yīng)增加到臨界

24、值后將產(chǎn)生振蕩而不穩(wěn)定，如同 KVP 值一樣，將 KVI 值往回調(diào)小，使振蕩消除、旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定。此時(shí)的 KVI 值即初步確定 的參數(shù)值。調(diào)整微分增益KVD值。微分增益主要目的是使速度旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低超調(diào)量。因此，將 KVD值漸漸加大可改善速度穩(wěn)定性。調(diào)整位置比例增益 KPP值。如果KPP值調(diào)整過大，伺服電機(jī)定位時(shí)將發(fā)生電機(jī)定位超 調(diào)量過大，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象。此時(shí)，必須調(diào)小KPP值，降低超調(diào)量及避開不穩(wěn)定區(qū)；但也不能調(diào)整太小，使定位效率降低。因此，調(diào)整時(shí)應(yīng)小心配合。8自動(dòng)調(diào)整增益參數(shù)現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)器均已微計(jì)算機(jī)化，大部分提供自動(dòng)增益調(diào)整(autotuning)的功能，可應(yīng)付多數(shù)負(fù)載狀況。在參數(shù)調(diào)整時(shí)，

25、可先使用自動(dòng)參數(shù)調(diào)整功能，必要時(shí)再手動(dòng)調(diào)整。事實(shí)上，自動(dòng)增益調(diào)整也有選項(xiàng)設(shè)置，一般將控制響應(yīng)分為幾個(gè)等級(jí)，如高響應(yīng)、中響應(yīng)、 低響應(yīng)，用戶可依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。七、電液伺服系統(tǒng)簡介電液伺服系統(tǒng)是在液壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。電液伺服系統(tǒng)通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了一些重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。電液伺服系統(tǒng)綜合了電氣和液壓兩方面的特長，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、信號(hào)處理靈活、易于實(shí)現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點(diǎn)。電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-63所液壓源被控制對(duì)象 !Q亠液壓執(zhí) 遠(yuǎn)生控制示。Ug -、Ue 伺服r放大器Ufl饋元件圖1-63電液伺服

26、系統(tǒng)組成框圖電液伺服系統(tǒng)的分類方法很多， 可以從不同角度分類， 如電液位置控制系統(tǒng)、 電液速度 控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)等；閥控系統(tǒng)、泵控系統(tǒng)；大功率系統(tǒng)、小功率系統(tǒng)；開環(huán)控制系統(tǒng)、 閉環(huán)控制系統(tǒng)等。根據(jù)輸入信號(hào)的形式不同，又可分為模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字伺服系統(tǒng)兩類。相對(duì)電氣伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)有如下的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作快，換向迅速。2 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量遠(yuǎn)小于相同功率的機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量。3液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)，特別是低速性能好，而機(jī)電系統(tǒng)的傳遞平 穩(wěn)性較差，而且易受到電磁波等各種外干擾的影響。4. 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速范圍廣，功率增益高。當(dāng)然也存在一些缺點(diǎn)：

27、1 液壓伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高，成本高。2. 溫度敏感。3 漏油是液壓系統(tǒng)的弱點(diǎn)，它不僅污染環(huán)境，而且容易引發(fā)火災(zāi)。液壓油易受污染， 并可造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)堵塞。八、伺服系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)中干擾類型和途徑一般有如下幾種，其抗干擾的方法也不相同。1 來自空間的干擾(輻射干擾)對(duì)付輻射干擾最為有效的措施就是金屬屏蔽。2 來自系統(tǒng)配線的干擾（傳導(dǎo)干擾）對(duì)付傳導(dǎo)干擾的有效措施就是采用電源濾波器、隔離電源、屏蔽電纜、以及合理和可 靠的接地來解決問題。理和可靠的接地來解決問題?？垢蓴_的常用方法有以下幾種：1.合理設(shè)計(jì)和安裝電氣控制柜合理設(shè)計(jì)和安裝電氣控制柜有如下要求：使用金屬材料；合理布局，變頻器

28、、 伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在柜子底部， 用接地金屬板隔離， 或者獨(dú)立安裝在金屬柜中；元器件間留有間距，利 于通風(fēng)散熱；配電柜中強(qiáng)弱電分離，動(dòng)力線和信號(hào)線分離；AC接觸器和DC繼電器安裝要遠(yuǎn)離I/O部件和信號(hào)電纜2 合理設(shè)計(jì)動(dòng)力電源電路合理設(shè)計(jì)動(dòng)力電源電路可以采用隔離變壓器，增加設(shè)備的抗干擾能力。 采用獨(dú)立的控制變壓器提供控制電壓。3. 正確接地接地的目的有兩個(gè)：一是為了安全；二是為了抑制干擾地線的連接方式不當(dāng) ，會(huì)引起地環(huán) 流。地環(huán)流在屏蔽線內(nèi)部產(chǎn)生電磁場 ，進(jìn)而干擾屏蔽線，造成信號(hào)的失真。圖1-64為正確的接 地方式，堅(jiān)決避免串聯(lián)接地。圖1-64并聯(lián)接地4、使用EMI濾波器采用EMI濾波器抗干擾時(shí)要

29、注意，伺服驅(qū)動(dòng)器及EMI濾波器都必須要安裝在同一塊金屬平面上。伺服驅(qū)動(dòng)器及EMI濾波器安裝時(shí)，請(qǐng)盡量將伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在 EMI濾波器之上。 配線盡可能的縮短。金屬平面要有良好的接地。小結(jié)直流電機(jī)是直流電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直流電機(jī)的工作原理是建立 在電磁感應(yīng)原理和電磁力定律的基礎(chǔ)上的，它賴以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介是氣隙磁場。 任何一臺(tái)直流電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是直流電機(jī)運(yùn)行的 可逆性。常用的直流電機(jī)是換向器式電機(jī)，直流電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，從電機(jī)外部看，它的電壓、電流和電動(dòng)勢都是直流， 但是每個(gè)線圈中的電壓、 電流和電動(dòng)勢都是交流。 這種交直流之間的 轉(zhuǎn)換是通過換向器和電刷的配合作用實(shí)現(xiàn)的。直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子部分包括主磁極、機(jī)座、換向極、電刷裝置、端蓋等。轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。定子的作用是建立主磁場和 進(jìn)行機(jī)械固定。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生電動(dòng)勢，流過電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。額定值是電機(jī)長期運(yùn)行時(shí)允許的各物理量的值。直流電機(jī)的額定值主要有額