閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 當(dāng)系統(tǒng)精度要求較高或負(fù)載較大時(shí)，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)往往滿意不了要求，這時(shí)應(yīng)采納閉環(huán)或半閉環(huán)掌握的伺服系統(tǒng)。從掌握原理上講，閉環(huán)掌握與半閉環(huán)掌握是一樣的，都要對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，并依據(jù)偏差對(duì)系統(tǒng)實(shí)施掌握。兩者的區(qū)分僅在于傳感器檢測(cè)信號(hào)位置的不同，因而導(dǎo)致設(shè)計(jì)、制造的難易程度不同及工作性能的不同，但兩者的設(shè)計(jì)與分析方法是基本上全都的。一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)(一)閉環(huán)或半閉環(huán)掌握方案的確定當(dāng)系統(tǒng)精度要求很高時(shí)，應(yīng)采納閉環(huán)掌握方案。閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)難度大，成本高，尤其是機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能難于提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性難于保證。因而除非精度要求很

2、高時(shí)，一般應(yīng)采納半閉環(huán)掌握方案。目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人中的伺服系統(tǒng)都采納半閉環(huán)掌握。(二)執(zhí)行元件的選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)、溝通伺服電動(dòng)機(jī)或伺服閥掌握的液壓伺服馬達(dá)作為執(zhí)行元件。(三)檢測(cè)反饋元件的選擇常用的位置檢測(cè)傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、碼盤(pán)、光電脈沖編碼器、光柵尺、磁尺等。被測(cè)量為直線位移，應(yīng)選尺狀的直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應(yīng)同步器等。被測(cè)量為角位移，應(yīng)選圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤(pán)等。在位置伺服系統(tǒng)中，為了獲得良好的性能，往往還要對(duì)執(zhí)行元件的速度進(jìn)行反饋掌握，因而還要選用速度傳感器。交、直流伺服電動(dòng)機(jī)常用的速度傳感器為測(cè)速

3、發(fā)電機(jī)。目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，也常采納光電脈沖編碼器，既測(cè)量電動(dòng)機(jī)的角位移，又通過(guò)計(jì)時(shí)而獲得速度。(四)機(jī)械系統(tǒng)與掌握系統(tǒng)方案的確定機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上與開(kāi)環(huán)掌握的伺服系統(tǒng)基本一樣，即由執(zhí)行元件通過(guò)減速器和滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。掌握系統(tǒng)方案的確定：主要包括執(zhí)行元件掌握方式的確定和系統(tǒng)伺服掌握方式的確定。對(duì)于直流伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)確定是采納晶體管脈寬調(diào)制(PWM)掌握，還是采納晶閘管(可控硅)放大器驅(qū)動(dòng)掌握。對(duì)于溝通伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)確定是采納矢量掌握，還是采納幅值、相位或幅相掌握。伺服系統(tǒng)的掌握方式有模擬掌握和數(shù)字掌握，每種掌握方式又有多種不同的掌握算法。還應(yīng)確定是采納軟件伺服

4、掌握，還是采納硬件伺服掌握，以便據(jù)此選擇相應(yīng)的計(jì)算機(jī)。二、系統(tǒng)性能分析(一)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(二)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化1.簡(jiǎn)化成一階系統(tǒng)假如系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)都是抱負(fù)的，沒(méi)有慣性，沒(méi)有阻尼，剛性為無(wú)窮大。K值大的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為硬伺服或高增益系統(tǒng)，K值小的稱(chēng)為軟伺服或低增益系統(tǒng)。2.簡(jiǎn)化成二階系統(tǒng)當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)的剛度特別大，慣性特別小，其固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于伺服電動(dòng)機(jī)固有頻率時(shí)，伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性就主要取決于伺服電動(dòng)機(jī)速度環(huán)的動(dòng)態(tài)特性。采納大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)的中小型伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)掌握的伺服系統(tǒng)大多數(shù)都屬于這種狀況。3.簡(jiǎn)化成三階系統(tǒng)當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)低于伺服電動(dòng)機(jī)固有頻率時(shí)，伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于機(jī)械系統(tǒng)，

5、則系統(tǒng)可簡(jiǎn)化成三階系統(tǒng)。屬于這種狀況的有：小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)的中小型伺服系統(tǒng)或大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)的大型伺服系統(tǒng)(三)系統(tǒng)穩(wěn)定性及快速響應(yīng)性分析利用數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響關(guān)系，以便在設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇各參數(shù)。1.一階系統(tǒng)分析如取位置傳感器的比例系數(shù)Kp12.二階系統(tǒng)分析3.三階系統(tǒng)分析比例、積分環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性表達(dá)式為：振蕩環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性表達(dá)式為：(四)系統(tǒng)精度分析系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，其輸出位移與輸入指令信號(hào)之間的穩(wěn)態(tài)誤差為：式中：1與系統(tǒng)的構(gòu)成環(huán)節(jié)及輸入信號(hào)形式有關(guān)的誤差，稱(chēng)為跟蹤誤差；2由負(fù)載擾動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)誤差。1.跟蹤誤差位置伺服系統(tǒng)屬

6、于I型系統(tǒng)。系統(tǒng)在跟蹤階躍輸入時(shí)的跟蹤誤差10mm；在跟蹤等速斜坡輸入時(shí)，其跟蹤誤差為式中：v輸入的速度指令(mm/s)；K系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益(s-1)。2.負(fù)載擾動(dòng)所引起的誤差對(duì)于I型系統(tǒng)，由負(fù)載擾動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)誤差2(mm)可用下式計(jì)算式中：K3機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)(mm/rad)， K3p/(2i) ；Tl折算到電動(dòng)機(jī)軸上的干擾轉(zhuǎn)矩(N·m)；KR系統(tǒng)伺服剛度或稱(chēng)力增益(N·m/rad)，它定義為干擾轉(zhuǎn)矩T1與由Tl引起的電動(dòng)機(jī)輸出角位移的誤差之比；Kd是伺服電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻尼系數(shù)，可直接由電動(dòng)機(jī)樣本查得。 三、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)(一)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益K通常狀況下，K值在850s-1范圍

7、內(nèi)選取，詳細(xì)取值大小還應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)掌握方式、執(zhí)行元件類(lèi)型、工作臺(tái)質(zhì)量及導(dǎo)軌阻尼特性等來(lái)確定。對(duì)于點(diǎn)位直線掌握的數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)，K值常取為815s-1，對(duì)于連續(xù)掌握的數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)，K值常取為25s-1左右。在閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)中，通常都采納速度負(fù)反饋回路，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為：在無(wú)速度反饋信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為：低增益伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)開(kāi)環(huán)增益比較低，但在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于速度負(fù)反饋回路不起作用，因而相當(dāng)于具有較高的開(kāi)環(huán)增益。所以，低增益伺服系統(tǒng)并不影響其啟動(dòng)時(shí)的快速響應(yīng)性和制動(dòng)時(shí)的定位精度。采納計(jì)算機(jī)掌握的伺服系統(tǒng)還常通過(guò)變開(kāi)環(huán)增益的方法來(lái)改善系統(tǒng)性能。在系統(tǒng)響應(yīng)的開(kāi)頭階段，采納較高的開(kāi)環(huán)

8、增益，使系統(tǒng)響應(yīng)加快，曲線上升變陡；在系統(tǒng)響應(yīng)接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)，減小開(kāi)環(huán)增益，使系統(tǒng)平穩(wěn)、無(wú)超調(diào)、而且快速地趨近于穩(wěn)態(tài)值。(二)系統(tǒng)阻尼比對(duì)于二階系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)允許的最大超調(diào)量Mp(251.5)%時(shí)，可在0.40.8范圍內(nèi)選取。影響系統(tǒng)阻尼比的主要因素是導(dǎo)軌阻尼比。增加系統(tǒng)阻尼比措施：對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌預(yù)加載荷，加設(shè)阻尼器等，或通過(guò)降低系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益及采納速度負(fù)反饋回路的方法來(lái)增加阻尼比。(三)系統(tǒng)固有頻率n提高固有頻率有利于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性，減小各種因素引起的誤差，提高抗干擾力量，但固有頻率的提高往往受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成本等條件限制。一般狀況下，主要按系統(tǒng)穩(wěn)定性要求來(lái)確定各環(huán)節(jié)的固有頻率。對(duì)于三階系統(tǒng)，為保證其穩(wěn)定性若要保證系統(tǒng)具有大于10dB的幅值穩(wěn)定裕度，則要求一般狀況下，伺服系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有頻率都應(yīng)滿意如下要求：1)機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率23倍2)位置環(huán)以外的其它機(jī)械部件的固有頻率應(yīng)比位置環(huán)內(nèi)各部件的固有頻率高23倍。3)如