閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)解決方案素材

閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)解決方案素材第六章閉環(huán)伺服系統(tǒng)（一）概念：1．伺服系統(tǒng)概念及分類P195～P1962．全閉環(huán)與半閉環(huán)P1963．伺服系統(tǒng)的控制環(huán)路P201～P2044．復合控制器P2095．數(shù)字PID控制算法P215（二）計算及簡單應用：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)P2043．伺服剛度P2054．伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)P2065．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頁伺服系統(tǒng)

機電一體化技術定義

以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)（FeedServoSystem）第2頁/共30頁位置指令位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)器速度檢測位置控制速度控制+—--電機機械傳動機構實際位置反饋實際速度反饋功率驅動位置檢測—+伺服系統(tǒng)

機電一體化技術伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成第3頁/共30頁

位置檢測裝置將檢測到的移動部件的實際位移量進行位置反饋，與位置指令信號進行比較，將兩者的差值進行位置調節(jié)，變換成速度控制信號，控制驅動裝置驅動伺服電動機以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到指令位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。伺服系統(tǒng)

機電一體化技術伺服系統(tǒng)組成

基本工作原理第4頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機電一體化技術伺服系統(tǒng)要求

1.調速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性（在調速范圍內）

調速范圍：RN=Fmax/Fmin

一般要求：RN

＞1000，且0.1mm/min≤Fmin

＜1mm/min

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。

2.位置精度高實際位移與指令位移的差值要小。位置精度一般為0.01～0.001mm，甚至可高至0.1μm。

3.穩(wěn)定性好即負載特性要硬，當負載發(fā)生變化或承受外界干擾的情況下，輸出速度應基本不變，而且保持平穩(wěn)均勻。

4.動態(tài)響應快即有高的靈敏度，達到最大穩(wěn)態(tài)速度的時間要短，一般要求在200～100ms，甚至小于幾十毫秒。動態(tài)響應的快慢，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量的好壞。第5頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機電一體化技術伺服系統(tǒng)分類

伺服系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)，按有無位置檢測和反饋有以下三種：

開環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)第6頁/共30頁步進電機步進驅動裝置控制器脈沖串方向脈沖相電壓伺服系統(tǒng)

機電一體化技術開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)組成第7頁/共30頁

由控制器送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，驅動步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅動執(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電機的角位移精度、齒輪絲杠等傳動元件的導程或節(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±0.02mm。如果采取螺距誤差補償和傳動間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高到?.01mm。此外，由于步進電機性能的限制，開環(huán)進給系統(tǒng)的進給速度也受到限制，在脈沖當量為0.01mm時，一般不超過5m/min。伺服系統(tǒng)

機電一體化技術開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)特點第8頁/共30頁位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)器信號處理+—實際位置反饋實際速度反饋功率驅動—+編碼器伺服電機位置指令伺服系統(tǒng)

機電一體化技術半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成第9頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機電一體化技術半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點

將檢測裝置裝在伺服電機軸或傳動裝置末端，間接測量移動部件位移來進行位置反饋的進給系統(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作為一個整體，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)在機電一體化設備上得到廣泛的采用。第10頁/共30頁位置指令位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)器速度檢測+—實際位置反饋實際速度反饋功率驅動位置檢測—+伺服電機測速發(fā)電機或編碼器伺服系統(tǒng)

機電一體化技術閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成第11頁/共30頁

將檢測裝置裝在移動部件上，直接測量移動部件的實際位移來進行位置反饋的進給系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機械傳動機構的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)只能補償部分誤差，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)進給系統(tǒng)的位置精度在其他因素確定之后，主要取決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)因為采用了位置檢測裝置，所以在結構上較開環(huán)進給系統(tǒng)復雜。另外，由于機械傳動機構部分或全部包含在系統(tǒng)之內，機械傳動機構的固有頻率、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)的設計和調試都較開環(huán)系統(tǒng)困難。伺服系統(tǒng)

機電一體化技術閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)特征第12頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機電一體化技術全數(shù)字式伺服系統(tǒng)

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)字信號的形式傳送給伺服驅動裝置，伺服驅動裝置本身具有位置和速度控制功能。控制器與伺服驅動裝置之間通過總線相互傳遞如下信息：位置指令和實際位置速度指令和實際速度轉矩指令和實際轉矩伺服系統(tǒng)及伺服電機參數(shù)伺服狀態(tài)和報警

全數(shù)字式伺服系統(tǒng)第13頁/共30頁

CNC

第n軸伺服單元

第1軸伺服單元…………SMPC總線總線SMPC

控制器

第n軸伺服單元

第1軸伺服單元…………SMPC總線總線SMPC伺服系統(tǒng)

機電一體化技術全數(shù)字式伺服系統(tǒng)

全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成第14頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機電一體化技術全數(shù)字式伺服系統(tǒng)

全數(shù)字式伺服系統(tǒng)特點1.系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)節(jié)的調整由軟件實現(xiàn)。2.具有較高的動、靜態(tài)特性。在檢測靈敏度、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，構成了具有反饋和前饋復合控制的系統(tǒng)結構。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，便于設備安裝和維護，提高了系統(tǒng)可靠性，同時通過顯示終端實時監(jiān)控伺服狀態(tài)。

當前，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在機電一體化設備驅動中得到了廣泛應用。全數(shù)字式交流伺服可作速度、轉矩和位置控制，接受指令脈沖或模擬電壓指令信號，并自帶位置環(huán)，具有豐富的自診斷、報警功能。各控制參數(shù)通過以下方法用數(shù)字方式設定：

通過驅動裝置上的顯示器和按鍵進行設定通過驅動裝置上的通信接口與上位機通信進行設定通過可分離式編程器和驅動裝置上的接口進行設定第15頁/共30頁伺服系統(tǒng)

機電一體化技術全數(shù)字式伺服系統(tǒng)控制器總線驅動裝置顯示設定窗口編碼器信號線三相電源進線伺服電機三相電源第16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。但伺服這個字就是“侍候”，就是非常聽話，讓走到哪，就走到哪。在數(shù)控機床中，由計算機發(fā)出指令脈沖，讓哪一個驅動電動機拖著工作臺動，這一臺電動機就動，而且這臺電動機的運動速度、運動的距離，完全按著計算機的指令行事，非常準確無誤地完成指令要求的任務。

伺服系統(tǒng)控制環(huán)路第17頁/共30頁很顯然，伺服系統(tǒng)所以能作到這一點，也是非常不容易的。因為電動機拖著一個重量很重的工作臺，而且摩擦力隨著季節(jié)、新舊程度、潤滑狀態(tài)等因素而變化，控制了一個穩(wěn)定速度，精確定位，可以想象其難度之大。但是隨著科學技術的進步，人們不斷從生產實踐中總結經驗，一步一步找到了好的控制辦法，這就是三環(huán)結構。第18頁/共30頁

三環(huán)結構如圖4-1所示。第19頁/共30頁

這三個環(huán)就是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。1、位置環(huán)也稱為外環(huán)，其輸人信號是計算機給出的指令和位置檢側器反饋的位置信號。這個反饋是負反饋，也就是說與指令信號相位相反。指令信號是向位置環(huán)送去加數(shù)，而反饋信號是送去減數(shù)。位置環(huán)的輸出就是速度環(huán)的輸人。第20頁/共30頁2、速度環(huán)也稱為中環(huán)，這個環(huán)是一個非常重要的環(huán)，它的輸人信號有兩個：一個是位置環(huán)的輸出，做為速度環(huán)的指令信號送給速度環(huán)；另一個由電動機帶動的測速發(fā)電機經反饋網(wǎng)絡處理后的信息，做為負反饋送給速度環(huán)。速度環(huán)的兩個輸人信號也是反相的。一個是加，一個是減。速度環(huán)的翰出就是電流環(huán)的指令輸人信號。第21頁/共30頁3、電流環(huán)也叫做內環(huán)，電流環(huán)也有兩個輸人信號，一個是速度環(huán)抽出的指令信號；另一個經電流互感器，并經處理后得到的電流信號，它代表電動機電樞回路的電流，它送人電流環(huán)也是負反饋。電流環(huán)的輸出是一個電壓模擬信號，用它來控制PWM電路，產生相應的占空比信號去觸發(fā)功率變換單元電路，第22頁/共30頁使電動機獲得一個與計算機指令相關的，并與電動機位置、速度、電流相關的運行狀態(tài)。這個運行狀態(tài)滿足計算機指令的要求。這三個環(huán)都是調節(jié)器，其中有時采用比例調節(jié)器，有時采用比例積分調節(jié)器，有時還要用比例積分微分調節(jié)器關于位置反饋網(wǎng)絡、速度反饋網(wǎng)絡、電流反饋網(wǎng)絡到底是什么樣子可以這么說，有時是非常簡單的一個電位器，或者是一個濾波電路，但有時確實是一個復雜的邏輯關系。在這里不做詳細的敘述。第23頁/共30頁(1)前向通路傳遞函數(shù)--假設N(s)=0

打開反饋后，輸出C(s)與R(s)之比。等價于C(s)與誤差E(s)之比(2)反饋回路傳遞函數(shù)假設N(s)=0

主反饋信號B(s)與輸出信號C(s)之比。

伺服系統(tǒng)性能分析第24頁/共30頁(3)開環(huán)傳遞函數(shù)Open-loopTransferFunction假設N(s)=0

主反饋信號B(s)與誤差信號E(s)之比。(4)閉環(huán)傳遞函數(shù)Closed-loopTransferFunction假設N(s)=0

輸出信號C(s)與輸入信號R(s)之比。推導：因為

右邊移過來整理得

即

請記住**第25頁/共30頁(5)誤差傳遞函數(shù)假設N(s)=0

誤差信號E(s)與輸入信號R(s)之比。代入上式，消去G(s)即得：將第26頁/共30頁圖2-18輸出對擾動的結構圖利