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第八章伺服系统,马昕,北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室北京化工大学信息科学与技术学院,主要内容,2021/3/2,第八章伺服系统,2,伺服系统伺服系统常用电机位置控制技术,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,3,广义的伺服系统定义精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统,狭义的伺服系统定义利用反馈和误差修正信号对位置及其派生参数速度、加速度等进行控制的系统其作用是使输出的机械位移准确复现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,4,伺服系统按照所使用的驱动元件类型可分为液压伺服系统、气动伺服系统、机电伺服系统,伺服系统的控制精度主要决定于所使用的测量元件的精度,采用伺服系统主要为了达到以下目的以小功率指令信号去控制大功率负载在无机械连接情况下，实现远距离同步传动使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,5,坐标系统coordinates具有6个自由度，包括3个分别称为X、Y、Z的直线坐标，以及3个围绕直线坐标按右手定则形成的旋转坐标A、B、C。,伺服系统中的基本概念,任何空间运动都可分解为沿直线坐标的平移和沿旋转坐标的旋转,一个坐标系统可被看做一个定位平台，一个伺服系统中往往存在多个定位平台,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,6,2.最小运动增量minimumincrementalmotion和分辨率resolution最小运动增量是一个装置能可靠提供的最小的运动分辨率是系统能够检测到的最小的运动增量,3.准确度/精度accuracy预期位置与实际位置之差的最大期望值,4.精密度precision和重复性repeatability精密度一般定义为对于完全相同的输入，系统多次运行到输出95的结果的偏差范围重复性是系统在多次运行中到达命令指定位置的能力,伺服系统中的基本概念,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,7,5.跟踪误差followingerror理想测量装置测得的实际位置与控制器通过命令要求的预期位置之间的瞬时差值,6.调整时间settlingtime伺服系统接受运动指令后，进入并保持于可接受的指令位置误差范围所需花费的时间,7.超调overshoot度量欠阻尼系统中的过校正行为,伺服系统中的基本概念,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,8,8.稳态误差steady-stateerror控制器完成校正行为后实际位置与指令位置之间的差,9.振动vibration系统运行速度接近机械系统的自然频率时，可能导致结构的振动或振铃现象,10.运动规划motionprofile一种以时间、位置和速度描述运动操作的方法,伺服系统中的基本概念,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,9,伺服系统按照执行部件的类型可以分类为开环伺服系统步进电动机驱动、无位置反馈和校正环节闭环/半闭环伺服系统伺服电动机驱动、使用位移测量和位置比较环节,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,10,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,11,伺服系统基本组成（1）位置检测器由电位器RP1和RP2组成位置（角位移）检测器，RP1的转轴旋转角度作为位置给定；RP2的转轴旋转角度作为位置反馈（2）电压比较放大器由运算放大器A1和A2组成，A1起反相作用，A2起电压比较和放大作用（3）功率放大器电动机供电电源，输出足以驱动电动机SM的电压，要求可逆（4）执行机构直、交流伺服电动机,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,12,相同点都可以通过对代表系统输出量的反馈量和给定量进行比较，组成闭环控制。两者控制原理相同,伺服系统和调速系统的比较,不同点调速系统为了维持输出转速的恒定，抗扰性能是其主要性能指标伺服系统要求其输出量准确跟踪或复现给定量，跟随性能是其主要性能指标,伺服系统可以在调速系统基础上外加一个位置环构成，位置环是伺服系统的主要结构特征。,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,13,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,14,伺服系统按照机械运动的轨迹可以分类为,1.点位控制positioncontrol/点到点控制pointtopointcontrol从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能正确到达目标位置即可,2.直线控制straitcontrol/平行控制parallelcontrol除控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，同时控制移动速度,3.轮廓控制contouringcontrol/连续轨迹控制continuouspathcontrol对两个或多个运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，可进行曲线或曲面运动,一、伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,15,,轮廓控制本质上属于位置伺服控制,,,,加工程序本质上就是对刀具的连续运动轨迹及其运动特性的描述,,,,,,插补,数控机床,机器人行走,主要内容,2021/3/2,第八章伺服系统,16,伺服系统伺服系统常用电机步进电动机伺服电动机位置控制技术,１．步进电机,2021/3/2,第八章伺服系统,17,步进电动机是一种完成增量运动的电磁机械,特点接受数字控制信号（电脉冲信号），把电脉冲信号转换成角位移,步进电机输出角位移与输入的指令脉冲数成正比转速与指令脉冲的频率成正比旋转方向取决于脉冲顺序,１．步进电机,2021/3/2,第八章伺服系统,18,步进电动机最基本的运行方式开环系统增量式位置控制系统,步进电机分类磁阻式（反应式）步进电机转子上无绕组永磁式步进电机转子是永磁体,（１）磁阻式步进电机,2021/3/2,第八章伺服系统,19,利用磁通试图寻找磁阻最小的路径来产生转矩的特性,定子装有3相励磁绕组转子上有4个齿每个时刻，给某一相绕组通电，其它两相绕组不通电,磁阻式步进电动机工作原理,步进电机的旋转方向取决于绕组通电的顺序；电机的转速取决于绕组通电的频率,（１）磁阻式步进电机,2021/3/2,第八章伺服系统,20,工作方式,Ⅰ.单三拍工作方式A-B-C-A顺序供电Ⅱ.双三拍工作方式AB-BC-CA-AB顺序供电Ⅲ.单双六拍工作方式A-AB-B-BC-C-CA-A顺序供电供电顺序相反，则步进方向相反,（２）永磁式步进电机,2021/3/2,第八章伺服系统,21,采用永磁转子结构，使定子脉冲电流产生的磁场和转子永磁磁场相互作用而产生旋转转矩，带动负载运行*径向充磁的转子*定子每段有一个双绕线圈，公共点引出来接电源,永磁式步进电动机,（２）永磁式步进电机,2021/3/2,第八章伺服系统,22,工作过程第1拍S1、S3闭合，转子箭头指向1；第2拍S2、S3闭合；第3拍S2、S4闭合；第4拍S4、S1闭合。每拍转子逆时针旋转900，4拍完成1个循环,永磁式步进电动机工作原理,（２）永磁式步进电机,2021/3/2,第八章伺服系统,23,单极式驱动定子绕组只能通过一个方向的电流双极式驱动定子绕组中的电流可以正反向流动,永磁式步进电动机工作原理,2．伺服电动机,2021/3/2,第八章伺服系统,24,伺服电动机的作用是将输入的电压信号转换成轴上的角位移或角速度输出,伺服电动机的最大特点是有控制电压时转子立刻旋转，无控制电压时转子立刻停转,转轴转向和转速由控制电压的方向和大小决定,伺服电动机分为直流、交流两类,（１）交流伺服电动机,2021/3/2,第八章伺服系统,25,定子上有两相绕组，一相绕组为励磁绕组，另一相绕组为控制绕组，两相绕组垂直安装,转子分为a.鼠笼型高电阻率材料制成，转动惯量大b.空心杯型非磁性材料制成杯形，转动惯量小，响应迅速,杯形转子伺服电动机结构图,（１）交流伺服电动机,2021/3/2,第八章伺服系统,26,当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，气隙中产生一个旋转磁场并且产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。,对伺服电动机的要求在控制电压作用下就能启动，电压消失后应能立即停转,无控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，因无相对运动，转子上没有启动转矩而静止不动。,（２）直流伺服电动机,2021/3/2,第八章伺服系统,27,直流伺服电动机实质上是容量较小的普通直流电动机，一般都是他励直流电动机工作原理也和直流电动机一样TeCTΨmIa它在性能方面的独到之处是调速范围宽、线性特性好、启动转矩大、响应速度快适用特殊场合（小功率、输出角位移、经常正反转运行）,主要内容,2021/3/2,第八章伺服系统,28,伺服系统伺服系统常用电机位置控制技术,三、位置控制技术,2021/3/2,第八章伺服系统,29,位置控制是伺服控制系统/运动控制系统的基本功能,位置控制的职能精确地控制机械运动部件的坐标位置通过数控计算机将插补计算得出的各轴的位移量送入位置控制单元，位置控制单元根据位移量的大小产生进给速度指令，实现快速准确地跟踪位置指令的运动,位置控制系统分为开环控制系统步进电动机驱动，无需位置检测与反馈闭环控制系统交直流伺服电动机驱动，需要位置检测与反馈,１．步进电动机相关控制技术,2021/3/2,第八章伺服系统,30,步进电机与交直流电机的不同之处在于仅仅接上供电电源它是不会运行的,步进电动机的控制和驱动,步进电动机是一种增量运动的电磁执行元件将数字脉冲输入转换成旋转或直线增量运动，可以控制步进电动机的输出步数和输入指令的电脉冲数相等，所以可用步进电动机进行开环控制,１．步进电动机相关控制技术,2021/3/2,第八章伺服系统,31,步进电动机主要由步进控制器、功率放大器和步进电机组成,纯硬件的步进控制器由脉冲发生器、环行分配器、控制逻辑等组成,步进控制器的作用是把代表转速的脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，让步进电动机按既定的方向和速度旋转,步进电动机的控制和驱动,１．步进电动机相关控制技术,2021/3/2,第八章伺服系统,32,脉冲发生器是产生步进电动机角位移或速度的控制脉冲电路步进电动机运行的转角/转速由脉冲发生器的脉冲频率确定，转角正比于输入的脉冲数，对应于脉冲信号数量脉冲发生器可以用微处理器代替脉冲分配器是一种时序逻辑电路，它接受脉冲发生器的控制脉冲信号，输出按一定时序排列的多路电平信号通常电机的脉冲分配器为环形分配器，多采用集成电路来组成，也可以用微处理器代替,（1）脉冲发生器和脉冲分配器,１．步进电动机相关控制技术,2021/3/2,第八章伺服系统,33,驱动电路是功率放大器，将脉冲分配器送来的触发信号放大，以足够的功率来驱动步进电机。,（2）单极性驱动和双极性驱动电路,基于微控制器的步进电动机控制,2021/3/2,第八章伺服系统,34,步进电动机的串行控制,（1）串行控制的步进驱动,控制转动角度,电平输入信号控制转动方向,缺点必须采用硬件的环行分配器,定时中断时间常数调整转速,步进电动机运动系统相关控制技术,基于微控制器的步进电动机控制,2021/3/2,第八章伺服系统,35,（2）并行控制的步进驱动,利用8031的定时中断和软件设计取代硬件设计中的脉冲发生器和环行分配器,电动机转速由定时中断时间常数决定,步进电动机运动系统相关控制技术,基于微控制器的步进电动机控制,2021/3/2,第八章伺服系统,36,（3）步进电动机的加减速控制,启动极限启动频率,要求运行的速度小于系统的极限启动频率，系统可直接启动；通常要求的运行速度远大于极限启动频率，若直接启动可能会丢步或无法启动,制动到达终点时突然停发脉冲串，系统会因惯性原因冲过终点,步进电动机运动系统相关控制技术,基于微控制器的步进电动机控制,2021/3/2,第八章伺服系统,37,升速规律1.按照直线规律升速加速度恒定2.按照指数规律升速加速度逐渐降低,用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔，用定时器中断方式控制电动机的速度,加减速控制还需下列数据加减速斜率；升速过程总步数；恒速运行总步数；减速运行总步数,步进电动机运动系统相关控制技术,（3）步进电动机的加减速控制,步进电动机点位控制加减速过程,２．伺服电动机位置闭环控制,2021/3/2,第八章伺服系统,38,比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动线路控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为0。,根据比较环节的不同，闭环位置伺服系统也有多种形式鉴相式伺服系统、鉴幅式伺服系统、数字比较式伺服系统,发展方向由硬件组成的比较环节被由软件实现的位置控制环取代,伺服电动机的闭环伺服系统的构成执行元件交直流伺服电动机、液压马达、反馈检测单元、比较环节、驱动线路、机械运动机构,（１）鉴相式伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,39,基准信号发生器输出一列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供相位比较的基准,脉冲调相器数字相位转换器将来自主机的进给脉冲信号转换为相位变化信号,检测元件及信号处理线路将工作台的位移量检测出来并表达成与基准信号之间的相位差,鉴相器鉴别输入误差信号，输出与该相位差成正比的电压信号两路输入信号一路来自脉冲调相器的指令进给信号一路来自检测元件及信号处理线路的反馈信号,伺服电动机运动系统位置闭环控制,（１）鉴相式伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,40,在鉴相器中指令信号和反馈信号相比较，求出跟随误差，经放大后送入驱动系统，驱动电机转动使工作台移动。,指令脉冲是按进给量连续输出脉冲，反馈脉冲跟随输出。,只要有脉冲输入，立即产生跟随误差，使工作台移动。,选用不同的检测元件，对其控制和输出信号处理方法均有所不同。,伺服电动机运动系统位置闭环控制,（２）鉴幅式伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,41,鉴幅式伺服系统与鉴相式伺服系统的主要区别有两点其测量元件是以鉴幅工作方式工作的；比较器比较的是数字脉冲量而不是相位信号,测量元件及信号处理线路将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量,传感器输出幅值为正弦信号的反映位移量的电压，此正弦信号经滤波、放大、检波、整流之后，变成方向与工作台移动方向相对应，幅值与工作台位移成正比的直流电压信号，此过程称为解调。,伺服电动机运动系统位置闭环控制,（２）鉴幅式伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,42,比较器有两路输入信号一路来自主机插补软件的进给脉冲，代表主机要求机械装置移动的位移量另一路来自测量元件及信号处理线路，体现工作台实际移动的距离,D/A转换电路将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，该信号经驱动线路进行电压和功率放大，驱动执行元件带动工作台移动,伺服电动机运动系统位置闭环控制,（３）数字比较式伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,43,指令信号主机提供，可以是数码信号也可以是脉冲数字信号反馈测量信号机械实际位移信号比较器完成指令信号与测量反馈信号比较脉冲数字－数码转换依据比较器功能以及指令信号和反馈信号的性质而决定驱动及执行部件根据比较器的输出带动机械位移,伺服电动机运动系统位置闭环控制,（３）数字比较式伺服系统,2021/3/2,第八章伺服系统,44,数字比较系统中常使用的位置测量反馈元件为光电编码器，可提供数字脉冲序列或数码信号,常用的数字比较器为这两种形式的三类组合数码比较器、数字脉冲比较器、数码与数字脉冲比较器,比较器的输出反映了指令信号和反馈信号的差值，以及差值的方向。将这一输出信号放大后，用于控制执行部件。,伺服电动机运动系统位置闭环控制,（４）计算机实现的伺服电动机位置闭环控制,2021/3/2,第八章伺服系统,45,伺服电动机运动系统位置闭环控制,（４）计算机实现的伺服电动机位置闭环控制,2021/3/2,第八章伺服系统,46,计算机伺服系统可分成软件部分和硬件部分软件部分主要完成跟踪误差的计算，即指令信号和反馈信号的比较计算硬件部分主要由位置检测和位置输出部分组成,伺服电动机运动系统位置闭环控制,原理利用计算机的软件计算功能，将来自测量元件的反馈信号在计算机中与插补软件产生的指令信号作比较，其差值经D/A转换后送入速度单元，然后经执行元件变为机械位移。,本章小结,伺服系统能够使输出的机械位移准确复现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。位置环是伺服系统的主要结构特征步进电动机可以将电脉冲信号转换为角位移，其步距角和转速不受电压、负载和温度变化等因素的影响，精度很高且其误差不会累积，常用于要求较高的开环自动控制系统中伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，改变其控制电压的大小和极性时，可以相应地改变其转速的大小和旋转的方向位置控制是运动控制系统的基本功能，其性能影响运动控制系统的最终性能,2021/3/2,第八章伺服系统,47,本章重点内容,伺服系统的基本组成伺服系统与调速系统的异同步进电动机的特点、控制方法伺服电动机的特点、控制方法,2021/3/2,第八章伺服系统,48,本章作业,1伺服系统要解决的主要问题是什么试比较伺服系统与调速系统的异同。2什么叫步进电动机其运行特点是什么3交流伺服电动机的结构有何特点,2021/3/2,第八章伺服系统,49,END,
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