閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)解決方案素材學(xué)習(xí)教案

1、閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)(kn zh x tn)解決方案素材第一頁，共30頁。 第六章 閉環(huán)伺服系統(tǒng) （一）概念： 1 伺服系統(tǒng)概念及分類 P195 P196 2 全閉環(huán)與半閉環(huán) P196 3 伺服系統(tǒng)的控制環(huán)路P201 P204 4 復(fù)合控制器 P209 5 數(shù)字PID控制算法 P215 （二）計(jì)算及簡單( jindn)應(yīng)用： 1 電流環(huán)、速度環(huán)傳遞函數(shù) 2 位置環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)P204 3伺服剛度P205 4伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)P206 5 輸入?yún)⒖贾噶畹膯挝浑A躍和單位斜坡及系統(tǒng)誤差P205第1頁/共30頁第二頁，共30頁。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù) 以移動(dòng)部件(bjin)的位置

2、和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)（Feed Servo System）第2頁/共30頁第三頁，共30頁。位置指令位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測位置控制速度控制+-電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)位置檢測+ 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù)l伺服系統(tǒng)組成(z chn)第3頁/共30頁第四頁，共30頁。 位置檢測裝置將檢測到的移動(dòng)部件的實(shí)際位移量進(jìn)行位置反饋，與位置指令信號(hào)進(jìn)行比較，將兩者的差值進(jìn)行位置調(diào)節(jié)(tioji)，變換成速度控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到指令位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。 機(jī)電機(jī)電(

3、jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù)l 基本工作原理第4頁/共30頁第五頁，共30頁。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù) 1.調(diào)速范圍要寬且要有良好(lingho)的穩(wěn)定性（在調(diào)速范圍內(nèi)） 調(diào)速范圍：RN=Fmax/Fmin 一般要求： RN 1000， 且 0.1 mm/min Fmin 1 mm/min 穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。 2. 位置精度高 實(shí)際位移與指令位移的差值要小。位置精度一般為0.010.001mm，甚至可高至0.1m。 3.穩(wěn)定性好 即負(fù)載特性要硬，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或承受外界干擾的情況下，輸出速度應(yīng)基本不變，而且保持平穩(wěn)均勻。 4.

4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 即有高的靈敏度，達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間要短，一般要求在200100ms，甚至小于幾十毫秒。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢，反映了系統(tǒng)跟蹤精度的高低，直接影響輪廓加工精度的高低和加工表面質(zhì)量的好壞。第5頁/共30頁第六頁，共30頁。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù) 伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，按有無(yu w)位置檢測和反饋有以下三種： l 開環(huán)伺服系統(tǒng)l 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)第6頁/共30頁第七頁，共30頁。步 進(jìn) 電 機(jī)(dinj)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)(q dn)裝置控制器脈沖(michng)串方向脈沖相電壓 l 開環(huán)伺服系統(tǒng)組成第7頁/共30頁第八頁，共30頁。 由控制器送出的進(jìn)給指令

5、脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，無需位置檢測裝置。 系統(tǒng)的位置精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度、齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的導(dǎo)程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。 位置精度較低，其定位精度一般可達(dá)0.02mm。如果采取(ciq)螺距誤差補(bǔ)償和傳動(dòng) 間 隙 補(bǔ) 償 等 措 施 ， 定 位 精 度 可 提 高 到0.01mm。此外，由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度也受到限制，在脈沖當(dāng)量為0.01mm時(shí)，一般不超過5m/min。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù)l 開環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)(tdin)第8頁/共30頁第九頁，共30頁

6、。位置(wi zhi)控制調(diào)節(jié)器速度(sd)控制調(diào)節(jié)器信號(hào)處理(xn ho ch l)+實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)+編碼器編碼器伺服電機(jī)伺服電機(jī)位置指令 l 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成第9頁/共30頁第十頁，共30頁。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù)l 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)(tdin) 將檢測裝置裝在伺服電機(jī)軸或傳動(dòng)裝置末端，間接測量移動(dòng)部件位移來進(jìn)行位置反饋(fnku)的進(jìn)給系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，將編碼器和伺服電機(jī)作為一個(gè)整體，編碼器完成角位移檢測和速度檢測，用戶無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。這種形式的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備上得到廣泛的采用。第10頁/

7、共30頁第十一頁，共30頁。位置(wi zhi)指令位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測+實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)位置檢測+伺服電機(jī)伺服電機(jī)測速發(fā)電機(jī)或編碼器 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù)l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成(z chn)第11頁/共30頁第十二頁，共30頁。 將檢測裝置裝在移動(dòng)部件上，直接測量移動(dòng)部件的實(shí)際位移(wiy)來進(jìn)行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)只能補(bǔ)償部分誤差，因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些。 由于采用了位置檢測裝置，所以，閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的位置精度在其他因素確定之后，主要取決

8、于檢測裝置的分辨率和精度。 閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧宋恢脵z測裝置，所以在結(jié)構(gòu)上較開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜。另外，由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分或全部包含在系統(tǒng)之內(nèi)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率、阻尼、間隙等將成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素，因此，閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試都較開環(huán)系統(tǒng)困難。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一一體化技術(shù)體化技術(shù)l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)特征(tzhng)第12頁/共30頁第十三頁，共30頁。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù) 在全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，控制器直接將位置指令以數(shù)字信號(hào)的形式傳送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)裝置本身具有位置和速度控制功能。 控制器與伺服驅(qū)動(dòng)裝置之間通過總線相互傳遞如下信息： 位置指

9、令和實(shí)際位置 速度指令和實(shí)際速度 轉(zhuǎn)矩指令和實(shí)際轉(zhuǎn)矩 伺服系統(tǒng)及伺服電機(jī)參數(shù)(cnsh) 伺服狀態(tài)和報(bào)警l 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)第13頁/共30頁第十四頁，共30頁。 CNC 第第 n 軸伺服單元軸伺服單元 第第 1 軸伺服單元軸伺服單元SMPC總線總線總線總線SMPC 控制器 第第 n 軸伺服單元軸伺服單元(dnyun) 第第 1 軸伺服單元軸伺服單元(dnyun)SMPC總線總線(zn xin)總線總線SMPC l 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成第14頁/共30頁第十五頁，共30頁。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一體一體化技術(shù)化技術(shù)l 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)特點(diǎn)(tdin)1. 系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)節(jié)的調(diào)整由軟件

10、實(shí)現(xiàn)。2. 具有較高的動(dòng)、靜態(tài)特性。在檢測(jin c)靈敏度、溫度漂移、噪聲及抗干擾等方面都優(yōu)于模擬式伺服系統(tǒng)。3. 引入前饋控制，構(gòu)成了具有反饋和前饋復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4. 由于全數(shù)字式伺服系統(tǒng)采用總線通信方式，極大地減小了連接電纜，便于設(shè)備安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)通過顯示終端實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服狀態(tài)。 當(dāng)前 ，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。全數(shù)字式交流伺服可作速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制，接受指令脈沖或模擬電壓指令信號(hào)，并自帶位置環(huán)，具有豐富的自診斷、報(bào)警功能。各控制參數(shù)通過以下方法用數(shù)字方式設(shè)定：l 通過驅(qū)動(dòng)裝置上的顯示器和按鍵進(jìn)行設(shè)定l 通過驅(qū)動(dòng)裝置上的通信接

11、口與上位機(jī)通信進(jìn)行設(shè)定l 通過可分離式編程器和驅(qū)動(dòng)裝置上的接口進(jìn)行設(shè)定第15頁/共30頁第十六頁，共30頁。 機(jī)電機(jī)電(jdin)一一體化技術(shù)體化技術(shù)控制器總線(zn xin)驅(qū)動(dòng)(q dn)裝置顯示設(shè)定窗口編碼器信號(hào)線三相電源進(jìn)線伺服電機(jī)三相電源第16頁/共30頁第十七頁，共30頁。 伺服概念： 這是英文servo的諧音，念起來與外文的伺服發(fā)音差不多。但伺服這個(gè)字就是“侍候(shhu)”，就是非常聽話，讓走到哪，就走到哪。 在數(shù)控機(jī)床中，由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令脈沖，讓哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖著工作臺(tái)動(dòng)，這一臺(tái)電動(dòng)機(jī)就動(dòng)，而且這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)的距離，完全按著計(jì)算機(jī)的指令行事，非常準(zhǔn)確無誤地完成指

12、令要求的任務(wù)。l 伺服系統(tǒng)控制(kngzh)環(huán)路第17頁/共30頁第十八頁，共30頁。 很顯然，伺服系統(tǒng)所以能作到這一點(diǎn)，也是非常不容易的。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)拖著一個(gè)重量很重的工作臺(tái)，而且摩擦力隨著季節(jié)( jji)、新舊程度、潤滑狀態(tài)等因素而變化，控制了一個(gè)穩(wěn)定速度，精確定位，可以想象其難度之大。 但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷從生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，一步一步找到了好的控制辦法，這就是三環(huán)結(jié)構(gòu)。第18頁/共30頁第十九頁，共30頁。 三環(huán)結(jié)構(gòu)( jigu)如圖4-1所示。第19頁/共30頁第二十頁，共30頁。 這三個(gè)環(huán)就是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。 1、位置環(huán)也稱為(chn wi)外環(huán)，其輸人信號(hào)是計(jì)算

13、機(jī)給出的指令和位置檢側(cè)器反饋的位置信號(hào)。這個(gè)反饋是負(fù)反饋，也就是說與指令信號(hào)相位相反。 指令信號(hào)是向位置環(huán)送去加數(shù)，而反饋信號(hào)是送去減數(shù)。 位置環(huán)的輸出就是速度環(huán)的輸人。第20頁/共30頁第二十一頁，共30頁。 2、速度環(huán)也稱為中環(huán)，這個(gè)環(huán)是一個(gè)非常重要的環(huán)，它的輸人信號(hào)有兩個(gè)： 一個(gè)是位置環(huán)的輸出(shch)，做為速度環(huán)的指令信號(hào)送給速度環(huán)；另一個(gè)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的測速發(fā)電機(jī)經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)處理后的信息，做為負(fù)反饋送給速度環(huán)。速度環(huán)的兩個(gè)輸人信號(hào)也是反相的。一個(gè)是加，一個(gè)是減。 速度環(huán)的翰出就是電流環(huán)的指令輸人信號(hào)。第21頁/共30頁第二十二頁，共30頁。 3、電流環(huán)也叫做內(nèi)環(huán)，電流環(huán)也有兩個(gè)輸人信號(hào)

14、，一個(gè)是速度環(huán)抽出的指令信號(hào)；另一個(gè) 經(jīng)電流互感器，并經(jīng)處理后得到的電流信號(hào)，它代表電動(dòng)機(jī)電樞回路的電流，它送人電流環(huán) 也是負(fù)反饋。 電流環(huán)的輸出是一個(gè)電壓模擬信號(hào)，用它來控制PWM電路，產(chǎn)生(chnshng)相應(yīng)的占空比信號(hào)去觸發(fā)功率變換單元電路，第22頁/共30頁第二十三頁，共30頁。 使電動(dòng)機(jī)獲得一個(gè)與計(jì)算機(jī)指令(zhlng)相關(guān)的，并與電動(dòng)機(jī)位置、速度、電流相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。這個(gè)運(yùn)行狀態(tài)滿足計(jì)算機(jī)指令(zhlng)的要求。 這三個(gè)環(huán)都是調(diào)節(jié)器，其中有時(shí)采用比例調(diào)節(jié)器，有時(shí)采用比例積分調(diào)節(jié)器，有時(shí)還要用比例積分微分調(diào)節(jié)器 關(guān)于位置反饋網(wǎng)絡(luò)、速度反饋網(wǎng)絡(luò)、電流反饋網(wǎng)絡(luò)到底是什么樣子可以這么說

15、，有時(shí)是非常簡單的一個(gè)電位器，或者是一個(gè)濾波電路，但有時(shí)確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的邏輯關(guān)系。在這里不做詳細(xì)的敘述。第23頁/共30頁第二十四頁，共30頁。+ + +H H( (s s) )- -+ +R R( (s s) )E E( (s s) )B B( (s s) )N N( (s s) )打打開開反反饋饋)(1sG)(2sGC(s)圖圖2 2- -1 17 7 反反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)方方塊塊圖圖)()()()()(21sGsGsGsEsC)()()(sHsCsB(1)前向通路傳遞函數(shù)-假設(shè)(jish)N(s)=0 打開反饋后，輸出C(s)與R(s)之比。等價(jià)于C(s)與誤差E(s)之比 (2)反

16、饋回路傳遞函數(shù) 假設(shè)(jish)N(s)=0 主反饋信號(hào)B(s)與輸出信號(hào)C(s)之比。l 伺服系統(tǒng)性能(xngnng)分析第24頁/共30頁第二十五頁，共30頁。(3)(3)開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù) Open-loop Transfer Function Open-loop Transfer Function 假設(shè)假設(shè)N(s)=0N(s)=0 主反饋主反饋(fnku)(fnku)信號(hào)信號(hào)B(s)B(s)與誤差信號(hào)與誤差信號(hào)E(s)E(s)之比。之比。)()()()()()()(21sHsGsHsGsGsEsB(4)閉環(huán)傳遞函數(shù) Closed-loop Transfer Function 假設(shè)

17、N(s)=0 輸出(shch)信號(hào)C(s)與輸入信號(hào)R(s)之比。)()(1)()()(1)()()()(21sGsHsGsGsHsGsGsRsC推導(dǎo)(tudo)：因?yàn)?)()()()()()()(sGsHsCsRsGsEsC右邊移過來整理得 )()(1)()()(sGsHsGsRsC開環(huán)傳遞函數(shù)前向通路傳遞函數(shù)1)()(1)()()(sGsHsGsRsC即 *第25頁/共30頁第二十六頁，共30頁。(5)誤差(wch)傳遞函數(shù) 假設(shè)N(s)=0 誤差(wch)信號(hào)E(s)與輸入信號(hào)R(s)之比 。)()()(sGsEsC代入上式，消去(xio q)G(s)即得：開環(huán)傳遞函數(shù)11)()(11)

18、()(sGsHsRsE將開環(huán)傳遞函數(shù)前向通路傳遞函數(shù)1)()(1)()()(sGsHsGsRsC第26頁/共30頁第二十七頁，共30頁。- -N N( (s s) )C C( (s s) )H H( (s s) )(2sG)(1sG+ + +H H( (s s) )- -+ +R R( (s s) )E E( (s s) )B B( (s s) )N N( (s s) )打打開開反反饋饋)(1sG)(2sGC(s)圖2-18 輸出(shch)對擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖 利用公式(gngsh)*，直接可得：)()(1)()()()(2sHsGsGsNsCsMN (6)輸出(shch)對擾動(dòng)的傳遞函數(shù) 假設(shè)R(s)=0)()(1)()()(sGsHsGsRsC*第27頁/共30頁第二十八頁，共30頁。（7）誤差對擾動(dòng)(rodng)的傳遞函數(shù) 假設(shè)R(s)=0 H H( (s s) )N N( (s s) )E E( (s s) )(1sG)(2sG-1圖2-19 誤差(wch)對擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖 )()(1)()()()()(2sHsGsHsGsNsEsMNE利用公式(gngsh)*，直接可得：)()(1)()()(sGsHsGsRsC*第28頁/共30頁第二十九頁，共30頁。線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)