運(yùn)動控制系統(tǒng)第七章新版

1、第3篇 伺服系統(tǒng),在生產(chǎn)實踐中，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如：軋鋼機(jī)軋輥壓下量的自動控制，數(shù)控機(jī)床的定位控制和加工軌跡控制，船舵的自動操縱，火炮和雷達(dá)的自動跟蹤，宇航設(shè)備的自動駕駛，機(jī)器人的動作控制等等。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備，是運(yùn)動控制系統(tǒng)的一個重要分支。,伺服（Servo）,意味著“伺候”和“服從”，廣義的伺服系統(tǒng)是指精確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，也可稱作隨動系統(tǒng)。而狹義伺服系統(tǒng)的被控制量（輸出量）是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）作任意變化時，系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的

2、變化，又稱作位置隨動系統(tǒng)。,第7章 伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)的特征及組成 伺服系統(tǒng)的基本要求及特征 1伺服系統(tǒng)的基本要求 伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定，對伺服系統(tǒng)具有如下的基本要求：,(1) 穩(wěn)定性好 伺服系統(tǒng)在給定輸入和外界干擾下，能在短暫的過渡過程后，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)。 (2) 精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨給定值的精確程度，如精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求很高的定位精度。 (3)動態(tài)響應(yīng)快 動態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動態(tài)性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)對給定的跟隨速度足夠快、超調(diào)小，甚至要求無超調(diào)。 (4)抗擾動能力強(qiáng) 在各種擾動作用時，系統(tǒng)輸出動態(tài)變化小，恢復(fù)時間快，

3、振蕩次數(shù)小，甚至要求無振蕩。,1.伺服系統(tǒng)的組成,伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、功率驅(qū)動器、控制器和傳感器四大部分組成，除了位置傳感器外，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。,位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,1. 伺服電機(jī)與功率驅(qū)動器,伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在小功率伺服系統(tǒng)中多用永磁式伺服電機(jī)，如永磁式直流伺服電機(jī)、直流無刷伺服電機(jī)、永磁式交流伺服電機(jī)，也可采用磁阻式伺服電機(jī)。在大功率或較大功率的情況下也可采用電勵磁的直流或交流伺服電機(jī)。,2. 伺服系統(tǒng)控制器 控制器是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，伺服系統(tǒng)的控制規(guī)律體現(xiàn)在控制器上，控制器應(yīng)根據(jù)位置偏差信號，經(jīng)過必要的控制算法，產(chǎn)生功率驅(qū)動器的控制信號。,位置傳感器

4、,1.電位器 2.基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器 3.光電編碼器 4.磁性編碼器,光電開關(guān)是一種位置檢測裝置，通常分為發(fā)射器和接收器兩部分。工作狀態(tài)下，發(fā)射器發(fā)出調(diào)制光，受到待檢測物體的反射或阻斷時，會造成接收器入射光強(qiáng)度的變化，從而引起輸出電流的變化，經(jīng)信號處理改變輸出開關(guān)狀態(tài)即可達(dá)到檢測目的。光電開關(guān)屬于無接觸式位置傳感器，其輸入與輸出之間沒有電磁聯(lián)系。相對于接觸式測量，光電開關(guān)壽命長、抗電磁干擾能力強(qiáng)。按封裝方式，光電開關(guān)可分為自包含式、光纖式、遠(yuǎn)距式；按掃描方式，光電開關(guān)可分為對射式、漫反射式、鏡反射式、槽式、光纖式和遠(yuǎn)距式光電開關(guān)。,光電開關(guān)早期主要在工業(yè)自動化中用于檢測物體是否存在，

5、近年來應(yīng)用范圍擴(kuò)大到物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標(biāo)檢出、安全防護(hù)、安全警戒、遠(yuǎn)程供電、信息傳遞等。,（1）光源 光電開關(guān)最早使用白熾燈作為光源，后采用紅外LED。LED為非相干光光源，照射到10m20m處時，光斑直徑大到20 cm以上，能量己經(jīng)非常分散，故現(xiàn)在傾向于采用激光作為光源。 激光是強(qiáng)相干性光源，能量集中，投到500 m外，光斑直徑仍然只有100 mm。,（2）集成度 目前，光電開關(guān)傾向于采用專用集成電路（ASIC）以提高集成度。采用ASIC的光電開關(guān)反應(yīng)速度快，可達(dá)10 kHz，抗沖擊、震動能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，符合E

6、MC標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足小型化、低成本以及規(guī)模化生產(chǎn)等要求。 但光電開關(guān)的維護(hù)、參數(shù)設(shè)置仍然需要手動進(jìn)行，一旦更換，還要重新手動設(shè)置、校準(zhǔn)。因而光電開關(guān)通常安裝在易于操作的位置，但卻不是最佳位置，且安裝空間不能太小，這就制約了機(jī)器結(jié)構(gòu)、外形、體積的最優(yōu)化設(shè)計。,物體檢測傳感器及接口電路,光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的光變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓缓蠼柚怆娫M(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 控制系統(tǒng)可選用對射式光電傳感器、鏡面反射型光電傳感器等傳感器作為通道進(jìn)入檢測傳感器。,對射式光電傳感器 （1）對射式光電開關(guān)傳感器的原理,對射光電開關(guān)內(nèi)部原理,發(fā)射器發(fā)出的光是經(jīng)過調(diào)制的，經(jīng)過調(diào)制

7、的LED發(fā)射器發(fā)射一定頻率的紅外光，接收器的放大器只對該頻率的信號響應(yīng)，這樣就有效地排除了背景光等干擾因素。,面反射型光電傳感器 鏡面反射型光電開關(guān)（見圖2-8）集發(fā)光器和收光器于一體。從發(fā)射器發(fā)出的光束在對面的反射鏡被反射，當(dāng)無障礙物遮斷光線時，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回接收器，接收器輸出一種狀態(tài)（如繼電器節(jié)點閉合）;當(dāng)有障礙物阻斷光線時，接收器輸出另一種狀態(tài)（如繼電器節(jié)點斷開）。,反射式光電開關(guān),位置檢測傳感器及接口電路 運(yùn)動的限位可以是通過光電接近開關(guān)和霍爾開關(guān)來控制的，通過它們保證物體移動到位后自動停止。,2.2.1 漫反射光電接近開關(guān)傳感器 （1）漫反射光電接近開關(guān)傳感器工作原

8、理,霍爾接近開關(guān)及接口電路 （1）霍爾開關(guān)原理及特點 霍爾開關(guān)集成傳感器屬于有源磁/電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的集成電路封裝技術(shù)和組裝工藝制作而成一種磁敏傳感器，它可方便地把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，以開關(guān)信號形式輸出?；魻栭_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長，無觸點磨損，無火花干擾，無轉(zhuǎn)換抖動，工作頻率高，溫度特性好，能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。 霍爾開關(guān)電路由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器、開關(guān)輸出級等5部分組成。,霍爾效應(yīng),當(dāng)有電流 I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢 EH ，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱為霍爾電勢，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍

9、爾元件。,位移傳感器及功率放大器 光電位移傳感器 （1）位移傳感器的定義 位移傳感器是一種測量傳感器，它利用各種元件檢測對象物的物理變化量，通過將該變化量換算為距離，來測量從傳感器到對象物的距離位移。根據(jù)使用元件不同，分為光學(xué)式位移傳感器、線性接近傳感器、超聲波位移傳感器等。,圖2-15 光電位移傳感器原理,作為傳感器的受光元件，使用2比例光電二極管或位置檢測元件。通過檢測物體反射的投光光束將在受光元件上成像。這一成像位置以根據(jù)檢測物體距離不同而差異的三角測距原理為檢測原理。,（2）位移傳感器原理與分類 光學(xué)式位移傳感器 位置傳感檢測器PSD方式,光源發(fā)出的光通過透鏡進(jìn)行聚光，并照射到物體上。

10、物體發(fā)出的反射光通過受光透鏡集中到一維的位置檢測元件（PSD）上。如果物體的位置（距離測定器的距離）發(fā)生變化，PSD上成像位置將不同；如果PSD的兩個輸出平衡發(fā)生變化，PSD上的成像位置將不同，PSD的兩個輸出平衡會再次發(fā)生變化。如果將這兩個輸出作為A、B，計算A/（AB），并加工適當(dāng)?shù)睦€系數(shù)k和殘留誤差C，可求得,線性接近傳感器 超聲波位移傳感器,光電位移傳感器組成 光電傳感器通常由投光部、受光部、增幅部、控制部、電源部構(gòu)成，按其構(gòu)成狀態(tài)可分為以下幾類。 （1）放大器分離型 （2）放大器內(nèi)置型 （3）電源內(nèi)置型 （4）光纖型,光電位移傳感器基本要求,背景抑制BGS （Background

11、Suppression） 背景抑制是指檢測抑制物體背景； 前景抑制FGS （Foreground Suppression） 前景抑制是指檢測抑制比正常檢測距離近的物體。,背景與前景抑制原理,一般來說，在檢測傳輸帶上物體的情況下，可選擇背景抑制BGS和前景抑制FGS兩種功能中的任何一個。 背景抑制BGS不會對比設(shè)定距離更遠(yuǎn)的背景（傳輸帶）進(jìn)行檢測。前景抑制FGS不會對比設(shè)定距離更近的物體（或回到受光器光量少于規(guī)定的物體）進(jìn)行檢測,傳感器有如下特點 可對微小的段差進(jìn)行檢測（BGS、FGS）。 不易受檢測物體的顏色影響（BGS、FGS）。 不易受背景物體的影響（BGS）。,選用的光電位移傳感器,位移

12、傳感器有多個參數(shù)可供實際應(yīng)用需要進(jìn)行選擇，相應(yīng)參數(shù)描述如下： （1）分辨率 （2）直線性（線性） （3）溫度特性 （4）響應(yīng)時間,激光位移傳感器公路路面平整度測量,光電編碼器的工作原理,光電編碼器的分類 1絕對式光電編碼器,光電編碼器安裝圖,2增量式光電編碼器 增量編碼器的碼盤是由明暗相間的條紋所構(gòu)成，如下圖2-19所示。 一般來講同樣分辨精度的增量編碼器要比絕對編碼器便宜得多。 增量式光電編碼器主要用于測量速度,增量編碼器能根據(jù)軸的旋轉(zhuǎn)位移量，輸出脈沖列,電荷耦合器件CCD 與激光測控系統(tǒng),激光光纖通信,光纖總線控制網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)測量方案 激光掃描檢測系統(tǒng)是集激光技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、精密

13、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)于一體光機(jī)電系統(tǒng)。由激光器，棱鏡，反射鏡-透鏡，光電接收器，信號處理電路，單片機(jī)，鍵盤，數(shù)碼顯示組成。,光電接收器的信號輸出,把LX2-V系列透過式傳感頭放在電阻的上下方以檢測電阻的位置。根據(jù)激光光束中斷區(qū)域的變化來檢測雙饋電阻或位置不正確的電阻。,測量活塞直徑 LS系列能夠測量活塞的外徑并精確到次微米的程度?？蓪杉讙呙桀^安裝在任一生產(chǎn)線上。,7.2伺服系統(tǒng)的跟隨性能,1. 檢測誤差 2 系統(tǒng)誤差,7.3伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)伺服電機(jī)的種類，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流兩大類，以下分析兩種伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型，伺服系統(tǒng)控制對象包括伺服電機(jī)、驅(qū)動裝置和機(jī)械傳動機(jī)

14、構(gòu)。,7.3.1 直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型,直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與調(diào)速電機(jī)無本質(zhì)的區(qū)別，假定氣隙磁通恒定，則直流伺服電機(jī)的狀態(tài)方程為,E感應(yīng)電動勢，Te電磁轉(zhuǎn)矩，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的狀態(tài)方程為,直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)圖,7.3.2 交流伺服系統(tǒng) 控制對象的數(shù)學(xué)模型,用交流伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)，稱作交流伺服系統(tǒng)。常用的交流伺服電機(jī)有三相異步電動機(jī)、永磁式同步電動機(jī)和磁阻式步進(jìn)電動機(jī)等。無論是異步電動機(jī)，還是同步電動機(jī)，經(jīng)過矢量變換、磁鏈定向和電流閉環(huán)控制均可等效為電流控制的直流電動機(jī)，現(xiàn)以三相異步伺服電機(jī)為例分析之。,異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型為,采用轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)控制,且轉(zhuǎn)

15、子磁鏈已達(dá)到穩(wěn)態(tài),則轉(zhuǎn)子磁鏈等于常數(shù)，并設(shè)電機(jī)極對數(shù)=1，則采用電流閉環(huán)控制后，并考慮轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，對象的數(shù)學(xué)模型為,7.4伺服系統(tǒng)的設(shè)計,單環(huán)位置伺服系統(tǒng) APR位置調(diào)節(jié)器 UPE驅(qū)動裝置 SM直流伺服電機(jī) BQ位置傳感器,忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩，圖7-5的直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)可簡化為圖7-8，簡化的直流伺服系統(tǒng)控制對象傳遞函數(shù)為,選用PD調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （7-14）,單位置環(huán)控制直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,簡化后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù),（7-16）,系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖見圖,用Routh穩(wěn)定判據(jù)，可求得 系統(tǒng)穩(wěn)定，,2.雙環(huán)伺服系統(tǒng),電流閉環(huán)控制具有抑制起、制動電流，加速電流的響應(yīng)過程。對于交流

16、伺服電機(jī)，電流閉環(huán)還具有改造對象，實現(xiàn)勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，得到等效的直流電機(jī)模型。,因此，可以在電流閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，直接設(shè)計位置調(diào)節(jié)器，構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)，位置調(diào)節(jié)器的限幅是電流的最大值，圖7-11為雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中以直流伺服系統(tǒng)為例，對交流伺服系統(tǒng)也適用，對伺服電機(jī)和驅(qū)動裝置應(yīng)作相應(yīng)的改動。,雙環(huán)位置伺服系統(tǒng),圖7-11 雙環(huán)位置伺服系統(tǒng),忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩，圖7-6帶有電流閉環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為,APR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為,雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)的特征方程式,若將APR改用PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 開環(huán)傳遞函數(shù)為,圖7-13為采用PID控

17、制的雙環(huán)控制伺服系統(tǒng) 開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖,低頻段，系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)態(tài)精度，中頻段，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度，應(yīng)保證中頻段寬度h，高頻段，系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。,若APR仍采用PI調(diào)節(jié)器，可在位置反饋的基礎(chǔ)上，再加上微分負(fù)反饋，在動態(tài)性能上略有差異，但不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定,3.三環(huán)伺服系統(tǒng),在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再設(shè)一個位置控制環(huán)，便形成三環(huán)控制的位置伺服系統(tǒng)，如圖7-15所示。其中位置調(diào)節(jié)器APR就是位置環(huán)的校正裝置，其輸出限幅值決定著電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。,圖7-15 三環(huán)位置伺服系統(tǒng),直流轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計，圖7-16為轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖，開環(huán)傳遞函數(shù)為,圖7-1

18、6 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖,與第2章不同之處是轉(zhuǎn)速用角速度表示，傳遞函數(shù)中參數(shù)的物理意義相同，但參數(shù)值略有不同。對于交流伺服電機(jī)，假定磁鏈恒定，則矢量控制系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)如圖7-17所示，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器，,，,圖7-17 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,開環(huán)傳遞函數(shù)為,與式（7-33）的結(jié)構(gòu)完全相同。因此，以下的設(shè)計方法對直流和交流伺服系統(tǒng)都適用 由式（7-33）導(dǎo)出轉(zhuǎn)速閉環(huán)傳遞函數(shù),再加上轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)，,構(gòu)成位置環(huán)的控制對象，見圖7-18。 位置環(huán)的控制對象結(jié)構(gòu)圖,位置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖,位置環(huán)控制對象的傳遞函數(shù),位置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖7-19所示，其中，APR是位置調(diào)節(jié)器。開環(huán)傳遞函數(shù),

19、其中，位置調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 圖7-19 位置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖,由于控制對象在前向通道上有一個積分環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入為階躍信號時，APR選用P調(diào)節(jié)器就可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可改寫為,其中， 是調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)， 是系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。,伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,系統(tǒng)的特征方程式,用Routh穩(wěn)定判據(jù)，可求得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，,h為中頻段寬度，則式（7-41）可改寫為 當(dāng)輸入為速度信號時，APR選用PI調(diào)節(jié)器才能可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。,多環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法也是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設(shè)計各環(huán)的調(diào)節(jié)器。逐環(huán)設(shè)計可以使每個控制環(huán)都是穩(wěn)定的，從而保證了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的對象參數(shù)變化或受到擾動時，電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋能夠起到及時的抑制作用，使之對位置環(huán)的工作影響很小。,同時，每個環(huán)節(jié)都有自己的控制對象，分工明確，易于調(diào)整。但這樣逐環(huán)設(shè)計的多環(huán)控制系統(tǒng)也有明顯的不足，即對最外環(huán)控制作用的響應(yīng)不會很快，因為，轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)需經(jīng)過三個調(diào)節(jié)器。,7.4.4 復(fù)合控制的伺服系統(tǒng),無論是多環(huán)還是單環(huán)伺服系統(tǒng)，都是通過位置調(diào)節(jié)器A