伺服電動機運動系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制

1、伺服電動機運動系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制GeorgeEllis2010-01-13 15:20 伺服電動機運動系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制 采用伺服電動機的閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件（如交直流伺服電動機、液壓馬達等）、反饋檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動線路和機械運動機構(gòu)五部分組成。其中，比較環(huán)節(jié)的作用是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，直到跟隨誤差為零。根據(jù)比較環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)位置控制方式不同，伺服系統(tǒng)也有多種形式。 隨著微處理器及控制技術的介入和完善，由硬件組成的比較環(huán)節(jié)將由軟件實現(xiàn)的位置控制環(huán)取代，即由模擬式向數(shù)字化方向過渡，以適應更高速度與精度的需

2、要，而且，系統(tǒng)中的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的反饋控制全部數(shù)字化，全部伺服的控制模型和動態(tài)補償均由高速微處理器及其控制軟件進行實時處理，采樣周期只有零點幾毫秒，采用前饋與反饋結(jié)合的復合控制可以實現(xiàn)高精度和高速度，近年來又出現(xiàn)了學習控制這一種智能型的伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟蹤中，幾乎可以消除第一個周期以外的全部伺服誤差，數(shù)字化的軟件伺服是當今的發(fā)展趨勢。下面將介紹幾種典型的閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。鑒相式伺服系統(tǒng) 鑒相式伺服系統(tǒng)是運動控制中早期使用較多的一種閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它具有工作可靠、抗干擾性強、精度高等優(yōu)點。但由于增加了位置檢測、反饋、比較等元件，與步進式伺服系統(tǒng)相比，它的結(jié)構(gòu)比較復雜，調(diào)試

3、也比較困難。下面講述鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理。 圖13. 16是鑒相式伺服系統(tǒng)框圖，它主要由六部分組成，即基準信號發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、檢測元件及信號處理線路、鑒相器、驅(qū)動線路和執(zhí)行元件。 基準信號發(fā)生器輸出的是一列具有一定頻率的脈沖信號，其作用是為伺服系統(tǒng)提供相位比較的基準。 脈沖調(diào)相器又稱為數(shù)字相位轉(zhuǎn)換器，它的作用是將來自主機的進給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號，該相位變化信號可用正弦波或方波表示。若主機沒有進給脈沖輸出，脈沖調(diào)相器的輸出與基準信號發(fā)生器的基準信號同相位，即兩者沒有相位差。若有進給脈沖到來，則每輸入一個正向或反向進給脈沖，脈沖調(diào)相器的輸出將超前或滯后基準信號一個相應的相位角。 檢

4、測元件及信號處理線路的作用是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。例如，當檢測元件是旋轉(zhuǎn)變壓器時，若以基準信號作為定子繞組的勵磁信號，以鑒相方式工作的旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出正是與基準信號成一相位差的正弦信號，此相位差的大小代表了機械的位移量。鑒相器的輸入信號有兩路，一路是來自脈沖調(diào)相器的指令進給信號；另一路是來自檢測元件及信號處理線路的反饋信號，它代表了機械的實際位移量。這兩路信號都是用它們與基準信號之間的相位差來表示的，且同頻率、同周期。當機械實際移動的距離小于進給脈沖要求的距離時，這兩個信號之間便存在著相位差，這個相位差的大小就代表了機械實際移動距離與進給脈沖要求的距離之差，

5、鑒相器正是鑒別這個誤差的電路，它的輸出是與此相位差成正比的電壓信號。 鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理是：當主機要求工作臺沿一個方向進給時，插補軟件便產(chǎn)生一列進給脈沖。該進給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量、頻率和方向分別代表了工作臺的指令進給量、進給速度和進給方向，然后被送入伺服系統(tǒng)，經(jīng)脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诨鶞市盘柕南辔蛔兓盘?。假設伺服系統(tǒng)的脈沖當量為0.05mm/脈沖，如要求機床工作臺沿z坐標軸正向進給10mm，即經(jīng)插補運算后連續(xù)輸出200個x軸正向進給脈沖，當輸出一個正向進給脈沖后經(jīng)脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)槌坝诨鶞市盘栆粋€相位角P的指令信號，該指令信號送入鑒相器。在工作臺進給前，因工作臺沒有位移，故反饋信

6、號與基準信號同相位，其相位差=0。反饋信號也送入鑒相器，在鑒相器中指令信號和反饋信號相比較，求出兩者之間的相位差-。該差值稱跟隨誤差，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。工作臺正向移動后，檢測元件檢測出工作臺位移量經(jīng)信號處理產(chǎn)生反饋脈沖。該反饋脈沖經(jīng)脈沖調(diào)相器產(chǎn)生超前于基準信號一個相位角的反饋信號，反饋信號再次進入鑒相器與指令脈沖相比較，若=，說明工作臺實際移動量等于指令信號要求它的位移量。若，則說明工作臺實際移動量不等于指令信號要求它的位移量。鑒相器將妒和0的差值經(jīng)放大送入驅(qū)動系統(tǒng)，繼續(xù)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。指令脈沖是按進給量連續(xù)輸出脈沖，而反饋脈沖跟隨輸出。要求進給速度快時進給脈沖頻率

7、高，與反饋信號比較跟隨誤差大，送驅(qū)動單元的電壓高，使電機轉(zhuǎn)速提高，于是工作臺移動加快。反之，進給脈沖頻率低，跟隨誤差值小，電機轉(zhuǎn)動速度減慢。所以只要有脈沖輸入，立即產(chǎn)生跟隨誤差，使工作臺移動。當200個x向進給脈沖送完，也產(chǎn)生了200個反饋脈沖，跟隨停止，工作臺便停止進給。 從鑒相式伺服系統(tǒng)的方框圖可以看出，選用不同的檢測元件，因其工作原理和輸出信號形式的不同，造成了檢測元件的控制及其輸出信號處理方法的不同。如旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是正弦信號，而光柵的輸出信號經(jīng)處理后一般為方波信號；旋轉(zhuǎn)變壓器需要一組基準激磁電壓信號，而光柵不需要任何激磁信號，只是在信息處理時，需要一個基準脈沖信號。此外，考慮到系統(tǒng)

8、的整體結(jié)構(gòu)和簡化鑒相器結(jié)構(gòu)，當檢測元件的輸出是方波信號時，脈沖調(diào)相器的輸出也設計成方波形式，兩方波信號在鑒相器中比較；若檢測元件輸出是正弦信號，則要將該正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號或?qū)⒚}沖調(diào)相器輸出的方波信號整形成正弦信號，以保證相同形式的信號在鑒相器中比較。所以，選用的檢測元件不同，鑒相式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成也不同。另外，不同的執(zhí)行元件也將使系統(tǒng)的構(gòu)成有所不同。 以上僅討論了一個坐標方向進給時的鑒相伺服系統(tǒng)工作原理，對于其他軸向也類似。鑒幅式伺服系統(tǒng) 如圖13.17所示，鑒幅式伺服系統(tǒng)由測量元件及信號處理線路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、比較器、驅(qū)動環(huán)節(jié)和執(zhí)行元件五部分組成。它與鑒相式伺服系統(tǒng)的主要區(qū)別有兩點：一是它

9、的測量元件是以鑒幅工作方式進行工作的，可用于鑒幅式伺服系統(tǒng)的測量元件有旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器；二是比較器所比較的是數(shù)字脈沖量（而不是相位信號），所以不需要基準信號，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進行脈沖數(shù)量的比較。 測量元件及信號處理線路是將工作臺的機械位移檢測出來并轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖量。由第11章對傳感器工作原理的介紹可知，傳感器處于鑒幅工作狀態(tài)時，輸出電壓u0=Usin（-）sint，即通過測量u0的幅值便可確定位移量。換句話說，u0的幅值Usin(-)代表著工作臺的位移。此正弦信號經(jīng)濾波、放大、檢波、整流以后，才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，這個過程稱為

10、解調(diào)，解調(diào)后的信號經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換器變成計數(shù)脈沖，脈沖的個數(shù)與電壓幅值成正比，并用符號觸發(fā)器表示方向。 進入比較器的信號有兩路，一路來自主機插補軟件的進給脈沖，它代表了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，也是以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實際移動的距離。 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的作用是將比較器輸出的數(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。 鑒幅系統(tǒng)工作前，主機和測量元件的信號處理線路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，這時，執(zhí)行元件不能帶動工作臺移動。出現(xiàn)進給脈沖信號之后，比較器的輸出不再為零，執(zhí)行元件開始帶動工作臺移動。同時，

11、以鑒幅方式工作的測量元件又將工作臺的位移檢測出來，經(jīng)信號處理線路轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字脈沖信號，并將此信號作為反饋信號送入比較器與進給脈沖進行比較。若兩者相等，比較器的輸出為零，說明工作臺實際移動的距離等于指令信號要求工作臺移動的距離，執(zhí)行元件停止帶動工作臺移動；若兩者不相等，說明工作臺實際移動的距離還不等于指令信號要求工作臺移動的距離，執(zhí)行元件繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。數(shù)字比較式伺服系統(tǒng) 如圖13. 18所示，一個數(shù)字比較系統(tǒng)最多可由六個主要環(huán)節(jié)組成。它們是： (1)由主機提供的指令信號，它可以是數(shù)碼信號，也可以是脈沖數(shù)字信號。 (2)由測量元件提供的機械實際位置信號，它可以是

12、數(shù)碼信號，也可以是脈沖數(shù)字信號。 (3)完成指令信號與測量反饋信號比較的比較器。 (4)脈沖數(shù)字信號與數(shù)碼的相互轉(zhuǎn)換部件，它依據(jù)比較器的功能以及指令信號和反饋信號的性質(zhì)而決定取舍。 (5)驅(qū)動及執(zhí)行部件，它根據(jù)比較器的輸出帶動機械位移。 在數(shù)字比較系統(tǒng)中，常用的位置測量反饋元件為光電式增量或絕對編碼器，可提供數(shù)字脈沖序列或數(shù)碼信號。雖然在此類系統(tǒng)中也可以采用能產(chǎn)生模擬反饋信號的測量元件，如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器等，但要通過模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，將模擬量變?yōu)閿?shù)字量以后才能提供給系統(tǒng)，這樣會增加系統(tǒng)的復雜程度，故在典型的數(shù)字比較系統(tǒng)中不如前者普及。 由于傳感器的輸出可為脈沖序列和數(shù)碼兩種形式，則常用

13、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。由于指令和反饋信號不一定能適合比較的需要，因此，在指令和比較器之間以及反饋和比較器之間有時需增加“脈沖數(shù)字一數(shù)碼轉(zhuǎn)換”的線路。 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。將這一輸出信號放大后，用于控制執(zhí)行部件。 圖13. 18中的數(shù)字比較系統(tǒng)的工作原理可簡述如下： 當主機發(fā)出指令信號，要求機械裝置沿某一方向進給時，該指令信號經(jīng)脈沖數(shù)字一數(shù)碼轉(zhuǎn)換，進入比較器。開始時，裝置還沒有動，測量元件輸出的反饋信號為零，表示裝置沒有移動。該反饋信號經(jīng)脈沖數(shù)字與數(shù)碼轉(zhuǎn)換，也進入比較器。在比較器中，由于兩信號

14、之差不為零，指令信號大于反饋信號，比較器將兩者之差輸出，并經(jīng)濾波、放大，驅(qū)動執(zhí)行元件帶動裝置移動。裝置的移動使反饋信號不為零，逐步接近指令信號，直到兩者相等，比較器輸出為零時止。比較器輸出為零時，執(zhí)行元件停止拖動裝置移動，這時，裝置實際移動的距離就是指令信號要求它移動的距離。 用計算機實現(xiàn)的伺服電動機位置閉環(huán)控制 用計算機實現(xiàn)伺服電動機的位置閉環(huán)控制的原理就是利用計算機的軟件計算功能，將來自測量元件的反饋信號在計算機中與插補軟件產(chǎn)生的指令信號作比較，其差值經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送入速度單元，然后經(jīng)執(zhí)行元件變?yōu)闄C械位移。因此計算機伺服系統(tǒng)可分成軟件部分和硬件部分，軟件部分主要完成跟蹤誤差的計算，即指令信

15、號和反饋信號的比較計算，硬件部分主要由位置檢測和位置輸出部分組成。一般用計算機實現(xiàn)的位置閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖如圖13.19所示。 (1)軟件部分的設計 一般計算機系統(tǒng)的伺服控制是采用實時中斷來實現(xiàn)的，在每一中斷周期結(jié)束之前，插補軟件算出下一周期坐標軸的位置增量，在每一中斷周期開始時，位置控制程序?qū)ψ鴺溯S的實際位置進行采樣，將采樣值與插補軟件產(chǎn)生的增量命令比較，算出跟隨誤差，該跟隨值經(jīng)計算機接口送到位置控制輸出組件，由位置控制輸出組件拖動機械移動，從而實現(xiàn)伺服控制。假設系統(tǒng)的中斷周期（或稱采樣周期）為T=1Oms，在整個10ms中斷周期中，計算機輸出的指令信號維持不變。 閉環(huán)系統(tǒng)伺服控制軟件的工作

16、主要包括跟隨誤差的計算，進給速度指令的計算和進給速度的監(jiān)控。 跟隨誤差的計算 從理論上講，跟隨誤差為指令信號要求機械裝置移動的位置（簡稱指令位置）和其實際移動的位置之差，即 跟隨誤差=指令位置一實際位置 為了計算和控制的方便，在實際運行中跟隨誤差是按采樣周期的增量方式進行計算的。 設： Ei第i次迭代中所計算的跟隨誤差； Ei-1第i-l次迭代中所計算的跟隨誤差； Dfi第i-l次運動中的實際位置增量； Dci第i-l次迭代末為第i次周期算得的坐標軸位置增量命令。 位置環(huán)增益Kv的控制 位置環(huán)增益，一般指系統(tǒng)進給速度放大系數(shù)，是伺服運動控制系統(tǒng)的基本指標之一，它不僅影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)剛度

17、、不靈敏區(qū)，還影響著機械裝置進給速度和穩(wěn)態(tài)誤差。在計算機伺服系統(tǒng)中，利用軟件可以對位置增益Kv進行調(diào)節(jié)控制，以實現(xiàn)伺服系統(tǒng)時刻處于最佳增益工作狀態(tài)。 根據(jù)自動控制理論，計算機數(shù)字采樣控制系統(tǒng)與相應的連續(xù)系統(tǒng)有著完全相同的階躍響應和斜坡響應，當系統(tǒng)為I型系統(tǒng)時，對于斜坡輸入R(t)=Vt，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為一常量EE=V/Kv式中Kv=KCKDKMKA，其中Kc為計算機的控制增益；KD為數(shù)模轉(zhuǎn)換增益；KM為驅(qū)動速度回路增益；KA為測量組件增益。而又有KD=KNKDA，其中KN為利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的整個數(shù)值范圍而引入的比例系數(shù)；KDA為實際數(shù)模轉(zhuǎn)換器的增益。假定系統(tǒng)使用13位的DA轉(zhuǎn)換器，相應于其飽和數(shù)

18、字量8191的模擬電壓輸出為9V,KDA=9/8191=0.O01(V數(shù)字單位)。 上式說明，當向某坐標軸輸入位置命令R(t)=Vt，要求某坐標軸以恒定的進給速度y進給時，該坐標軸實際移動的速度與指令進給速度y一致。但兩者的瞬時位置有一定的位置偏差'這就是斜坡響應的穩(wěn)態(tài)誤差E，即系統(tǒng)的跟隨誤差，圖13.21是輸入系統(tǒng)的斜坡R(t)和系統(tǒng)的響應C(t)之間的關系圖。 由關系式V=KvE可知，系統(tǒng)的Kv越大，較小的跟隨誤差就足以引起較大的速度。另一方面，由關系式E=V/Kv可知，當輸入的速度命令為一定時，位置增益Kv愈大，坐標軸在跟隨命令過程中形成的跟隨誤差愈小。在輪廓加工中，跟隨誤差在輪

19、廓上產(chǎn)生一個實際的誤差，因此，希望增益高，從而保證較好的輪廓精度。但是，在坐標軸快速移動時，希望有較高的速度，以提高系統(tǒng)的利用率。為了取得這一較高的速度，又要保證速度變化的平穩(wěn)性，要求適當降低系統(tǒng)的增益，以增大跟隨誤差。用計算機可以容易地進行變增益的控制，使系統(tǒng)在兩種不同的條件下都具有最佳的增益。一般系統(tǒng)通過用軟件程序改變Kc值實現(xiàn)了兩種工作條件的增益Kv變化的控制。 進給速度指令（數(shù)字量）的計算 系數(shù)KDAKMKA部分由硬件設計確定，而軟件需要完成對跟隨誤差乘以KCKN的處理，我們把軟件計算結(jié)果VD一稱為進給速度的數(shù)字量，它由計算機發(fā)送到位置控制輸出組件的D/A緩沖器，其值為DA的計算分兩步

20、進行，首先根據(jù)當前跟隨誤差所在的工作區(qū)域計算VD值，式中EBP為增益轉(zhuǎn)折點的跟隨誤差；口為控制增益減少率；Kc常取1；而口值常取為1/2、1/4 接著，計算出VDA=KNVD，便可以向位置控制輸出組件發(fā)送進給速度指令（數(shù)字量）了。發(fā)送到位置控制輸出組件的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?9V的速度指令模擬電壓。 進給速度的監(jiān)控 在閉環(huán)系統(tǒng)中，如果發(fā)生位置反饋回路斷開故障時，系統(tǒng)實際上成為開環(huán)狀態(tài)，沒有位置反饋增量從命令增量中減去，跟隨誤差會累積得愈來愈大，直到溢出，以致引起過量的進給速度而造成事故。在驅(qū)動裝置失速時，也會發(fā)生誤差累積引起的速度沖擊振蕩。為了避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，軟件可設置兩級速度保護。

21、圖13.22是跟隨誤差與進給速度的關系圖，圖中折線上的S點稱為進給速度抑制點，M點稱為過量速度控制點。 對應于進給速度抑制點S的進給速度值為最大編程速度（快進速度）的1.05倍。當伺服軟件檢測到計算出來的進給速度指令VD大于此點對應的VD時，自動將進給速度調(diào)整設定值減少一半，從而使插補程序中步長值下降一半，限制了進給速度，并同時顯示報警消息，通知操作者處理。 對應于過量進給速度控制點M的進給速度值為最大編程速度的1.1倍，由此點的VD計算出來的進給速度指令數(shù)字量VDA等于或接近數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大容量。當伺服軟件檢測到計算出來的進給速度指令VD大于或等于此點的VD時，自動使系統(tǒng)進入緊停狀態(tài)，即停止各坐標軸的進給運動，停止零件程序的運行，并顯示出錯消息。 (2)硬件部分的設計 位置檢測電路 電動機的位置檢測元件一般采用增量式光電編碼器，光電編碼器的輸出脈沖A、B是一對正交脈沖。圖13. 23給出了與第11章圖11.4不同的另一個4倍頻位置檢測與鑒相電路，該電路將A和B轉(zhuǎn)換成對應于順時針轉(zhuǎn)動的正脈沖信號F+和對應于逆時針轉(zhuǎn)動的負脈沖信號F-。 用計算機實現(xiàn)的電動機位置閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖如圖13.