電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 教學(xué)課件 ppt 作者 洪乃剛 第7章

第7章位置伺服控制系統(tǒng)7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)7.4位置檢測

伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟隨輸入指令信號(hào)進(jìn)行控制的系統(tǒng)，也稱隨動(dòng)控制系統(tǒng)。位置伺服控制系統(tǒng)用于機(jī)械的定位和定向控制，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床，雷達(dá)跟蹤，艦船操舵都大量使用電機(jī)控制的位置伺服系統(tǒng)。艦船操舵控制示意圖舵手操縱舵輪帶動(dòng)電位器的動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)

發(fā)出船舵位置指令，電位器將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號(hào)船尾船舵上電位器檢測船舵的實(shí)際轉(zhuǎn)角船舵與轉(zhuǎn)向指令偏差經(jīng)放大器、變流器控制電動(dòng)機(jī)并經(jīng)減速機(jī)帶動(dòng)船舵轉(zhuǎn)動(dòng)，在船舵轉(zhuǎn)角與方向輪轉(zhuǎn)角相同時(shí)，艦船按舵手操控的方向前進(jìn)7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.1.1位置伺服控制系統(tǒng)的組成位置伺服系統(tǒng)一般包括位置檢測、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分位置檢測方法有光電編碼器，光柵，磁尺等控制器：伺服控制的心臟，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置開環(huán)控制，控制器是環(huán)形脈沖分配器；對(duì)閉環(huán)控制，控制器可以是PID控制，前饋控制，復(fù)合控制以及發(fā)展迅速的各種智能控制。電氣位置伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)：主要包括電力電子變流器，電動(dòng)機(jī)和減速齒輪箱，從電動(dòng)機(jī)區(qū)分有直流伺服系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)，永磁電機(jī)伺服系統(tǒng)等。位置開環(huán)控制

位置閉環(huán)控制7.1.2位置伺服控制的基本要求

電氣伺服系統(tǒng)的基本要求是控制精度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，工作頻率寬，負(fù)載和抗干擾能力強(qiáng)等，同時(shí)還要求體積小、輕便，可靠性高和成本低。開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于維護(hù)，但是由于沒有位置檢測，精度低，抗干擾能力差。閉環(huán)控制可以根據(jù)位置偏差調(diào)節(jié)，控制精度較高

直流伺服系統(tǒng)有良好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，起動(dòng)電壓低，缺點(diǎn)是有換向器和電刷，造成摩擦轉(zhuǎn)矩比較大，有火花干擾和維護(hù)不方便。交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無電刷，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較直流電機(jī)小，響應(yīng)快，交流伺服系統(tǒng)又有交流感應(yīng)式伺服電機(jī)和交流永磁式伺服電機(jī)，7.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置開環(huán)伺服控制系統(tǒng)

位置開環(huán)伺服系統(tǒng)一般使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由脈沖驅(qū)動(dòng)，每個(gè)脈沖使電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一步，機(jī)械的轉(zhuǎn)角或線位移正比于脈沖個(gè)數(shù)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不用位置檢測，定位精度取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度和機(jī)械傳動(dòng)精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便，可靠性高，制造成本低，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中廣泛應(yīng)用。7.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理(a)(b)(c)圖7.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其定子有6個(gè)極，每極都裝有控制繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯上有四個(gè)均勻分布的齒，齒上沒有繞組。

當(dāng)A相繞組通電時(shí)，因?yàn)榇磐ㄓ惺勾怕反抛枳钚〉奶匦裕虼死瓌?dòng)轉(zhuǎn)子齒1、3與定子極對(duì)齊A相繞組斷電，B繞組通電時(shí)，

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過齒2、4與定子極BB’對(duì)齊

B相斷電，C相通電時(shí)轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過按順序循環(huán)通電，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每改變一次通電方式（接受一個(gè)脈沖），稱為一拍，每拍通電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，

1.三相單三拍通電方式按2.三相雙三拍通電方式每拍步距角

每拍步距角3.三相六拍通電方式每拍步距角

為了使一相繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子在該相牽引下轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，對(duì)m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為2p為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子極數(shù)；m為相數(shù)；K為正整數(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角采用單拍或雙拍工作方式采用單、雙拍工作方式時(shí)

若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電頻率為f，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有二相、三相、四相、五相、六相，甚至更多相數(shù)，相數(shù)和齒數(shù)越多，步距角越小。在脈沖頻率一定時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低。相數(shù)越多步進(jìn)電機(jī)成本越高，驅(qū)動(dòng)脈沖電源越復(fù)雜，因此步進(jìn)電機(jī)一般最多為六相。7.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)和特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)除相數(shù)、額定電壓和電流外主要有1.步距角和靜態(tài)步距誤差靜態(tài)步距誤差是指理論步距角與實(shí)際的步距角之間的誤差，以分表示，一般在以內(nèi)

2.起動(dòng)頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載以階躍給定起動(dòng)時(shí)，能進(jìn)入不丟步的正常工作狀態(tài)所允許的最高頻率，稱為起動(dòng)頻率或突眺頻率與負(fù)載慣性有關(guān)，負(fù)載慣量越大產(chǎn)生丟步可能性越大，這時(shí)

不能很大3.連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)保證不丟步的極限工作頻率4.加、減速特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在加速和減速時(shí)，為了不發(fā)生丟步或加步現(xiàn)象，脈沖頻率的變化不能太快，因此轉(zhuǎn)速上升時(shí)間和下降時(shí)間不能太短5.矩頻特性和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定連續(xù)工作時(shí)轉(zhuǎn)矩與頻率關(guān)系，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是矩頻特性上每一頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨頻率增加而減小。7.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用系統(tǒng)的精度和速度為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量小，但是脈沖當(dāng)量越小系統(tǒng)的運(yùn)行速度越低，因此要兼顧精度和速度來選擇系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。

按脈沖當(dāng)量選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角理論上是固定的，實(shí)際上存在誤差，一般應(yīng)將步進(jìn)電機(jī)的步距誤差，負(fù)載引起的定位誤差，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差等都全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于機(jī)械允許的定位誤差。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給速度（mm/min）和工作頻率關(guān)系——脈沖當(dāng)量，即每個(gè)脈沖進(jìn)給移動(dòng)的距離（mm/pulse）7.2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路原理由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器一般由脈沖分配器，功率驅(qū)動(dòng)兩部分組成1.由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的三相六拍脈沖分配器2.專用環(huán)形分配器模塊二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)L297，PMM8713三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)CH2503.采用軟件，利用查表或計(jì)算實(shí)現(xiàn)脈沖分配，2.功率驅(qū)動(dòng)（1）單電壓驅(qū)動(dòng)電路單電壓驅(qū)動(dòng)器只用一路電源U，結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是繞組通電時(shí)電流上升速度慢，高頻時(shí)負(fù)載能力低（2）高低壓驅(qū)動(dòng)電路二路電源供電輸入脈沖信號(hào)來到時(shí)高電壓，當(dāng)電流上升到規(guī)定值時(shí)由低壓供電，有較陡的電流前沿（3）恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路雙電源驅(qū)動(dòng)，繞組L不串電阻，電流的上升率高。電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，采樣電阻上的反饋信號(hào)經(jīng)整形放大使電路由低壓電源供電。

導(dǎo)通關(guān)斷（斬波）使繞組電流近似恒定，恒流斬波驅(qū)動(dòng)電流上升快邊沿陡，響應(yīng)好功耗小，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，可減少步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的共振現(xiàn)象發(fā)生。7.2.5步距細(xì)分技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在二相同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子受二相繞組磁場的合力作用，齒停留在二相中間位置，如果控制二相繞組電流可以改變二相繞組磁場合力的方向，可使轉(zhuǎn)子有多個(gè)穩(wěn)定的位置

二相二齒步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

(b)合成電流矢量(c)電流波形二相4極二齒步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距細(xì)分7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

7.3.1位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的組成

1.位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)位置閉環(huán)控制

工作臺(tái)由伺服電機(jī)、減速器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠和螺母傳動(dòng)副將絲杠旋轉(zhuǎn)變換為工作臺(tái)的水平移動(dòng)，通過光柵檢測工作臺(tái)位置，并將位置反饋信號(hào)與位置給定信號(hào)比較，有偏差則由位置調(diào)節(jié)器通過速度控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)使工作臺(tái)前移或后移，直到指定位置2.半閉環(huán)位置伺服控制

位置采用間接檢測方法，數(shù)控機(jī)床一般用光電編碼器檢測伺服電動(dòng)機(jī)或減速器轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速或角位移，轉(zhuǎn)軸角位移正比于工作臺(tái)的直線位移，

半閉環(huán)控制，減速器和絲杠間隙造成的誤差在位置反饋環(huán)外，不能被抑制，控制精度較低，但是成本低，安裝和維護(hù)都比較方便7.3.2位置伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型直流位置伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)位置環(huán)+電樞調(diào)壓調(diào)速位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制交流伺服系統(tǒng)位置環(huán)+VVVF轉(zhuǎn)速開環(huán)控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的矢量控制控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩控制

位置系統(tǒng)中位置環(huán)是共有的，

位置環(huán)內(nèi)包含了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)和減速器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)

位置單閉環(huán)控制頻帶寬，響應(yīng)快，一般用在小功率伺服系統(tǒng)中。

轉(zhuǎn)速和電流內(nèi)環(huán)的伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較好，并且有電流和轉(zhuǎn)矩限制，安全可靠性高，一般使用在中、大功率伺服系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)以等效傳遞函數(shù)表示,減速器的傳遞函數(shù)是一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此位置調(diào)節(jié)器常用PID調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)器的微分作用對(duì)消減速器的積分，以降低方程階次，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性7.2.3位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能一

伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差有：檢測誤差，原理誤差，擾動(dòng)誤差1.檢測誤差主要由檢測裝置的精度決定的，是系統(tǒng)不能克服的誤差，減小檢測誤差采用高精度檢測裝置，圓盤脈沖編碼器定位精度可以達(dá)到角秒級(jí)，圓光柵定位精度可以達(dá)到0.1角秒，長光柵0.05。2.擾動(dòng)誤差根據(jù)擾動(dòng)的大小和加入的位置不同產(chǎn)生誤差的情況不同，需要具體情況具體分析。3.原理誤差是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器參數(shù)決定的，可以根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)和位置信號(hào)性質(zhì)分析。二

原理穩(wěn)態(tài)誤差分析位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號(hào)輸入信號(hào)函數(shù)表達(dá)式拉氏變換階躍信號(hào)速度（斜坡）信號(hào)加速度（拋物線）

正弦信號(hào)

伺服系統(tǒng)可以分為0型系統(tǒng)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)，0型系統(tǒng)沒有積分環(huán)節(jié)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)分別包含一個(gè)和兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，

在階躍信號(hào)、速度和加速度信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以用拉氏終值定理求得0型I型II型階躍信號(hào)速度（斜坡）信號(hào)

0

加速度信號(hào)0

0正弦信號(hào)不能直接使用拉氏終值定理，因?yàn)楹杏野肫矫娴臉O點(diǎn)

1）按誤差公式計(jì)算，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為：，，——誤差傳遞函數(shù)，

——伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。例7.1設(shè)伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)為正弦輸入信號(hào)系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)=0，,,代入式7.5（2）通過頻率特性求穩(wěn)態(tài)誤差例7.2已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖

，

前向通道傳遞函數(shù)，輸入信號(hào)，求：1/s時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差

誤差頻率特性穩(wěn)態(tài)誤差7.4位置檢測

7.4.1光電編碼器——角位移檢測

光電編碼器由光源、透鏡、碼盤、遮光板和光敏元件組成，光源光線經(jīng)透鏡、碼盤和遮光板上窄縫使光敏元件感光發(fā)出信號(hào)一

碼盤式編碼器1.二進(jìn)制碼盤2.循環(huán)碼碼盤二

脈沖式編碼器

脈沖式編碼器碼盤圓周上均勻分布小孔（或窄縫），碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)孔距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)可得轉(zhuǎn)角，遮光板上有三個(gè)孔，A、B兩孔距離是碼盤圓周孔距的產(chǎn)生二路相差周期的脈沖，比較脈沖相位可以判別轉(zhuǎn)向

碼盤內(nèi)圈有一個(gè)零位孔，碼盤每轉(zhuǎn)一周，零位孔發(fā)出“零位脈沖”信號(hào)，利用零位脈沖可以統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)7.4.2光柵檢測將一片短光柵傾斜角后疊在另一片長光柵上，可以產(chǎn)生粗大的莫爾條紋

莫爾條紋的間距W—光柵間距

短光柵右移，莫爾條紋向下移動(dòng)，短光柵左移，莫爾條紋向上移動(dòng)

檢測莫爾條紋的移動(dòng)個(gè)數(shù)，從而檢測短光柵相對(duì)長光柵的移動(dòng)距離。例如50線/mm光柵，光柵移動(dòng)1線（0.02mm），相當(dāng)于莫爾條紋移動(dòng)5mm，

光柵檢測用細(xì)分技術(shù)進(jìn)一步提高分辨率，在莫爾條紋變化的一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/N，則測量精度可以提高為原來的N倍。

光柵檢測精度高，常用于高精度的機(jī)床線位移和角度檢測，以及速度，加速度、振動(dòng)等測量中。本章小結(jié)