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第六章 闭环伺服系统（一）概念：1 伺服系统概念及分类 P195 P1962 全闭环与半闭环 P1963 伺服系统的控制环路P201 P2044 复合控制器 P2095 数字PID控制算法 P215（二）计算及简单应用：1 电流环、速度环传递函数2 位置环的开环传递函数P2043伺服刚度P2054伺服系统的闭环传递函数P2065 输入参考指令的单位阶跃和单位斜坡及系统误差P205第1页/共30页伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术定定定定 义义义义 以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统（Feed Servo System）第2页/共30页位置指令位置控制调节器速度控制调节器速度检测位置控制速度控制+-电机机械传动机构实际位置反馈实际速度反馈功率驱动位置检测+伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成l伺服系统组成第3页/共30页 位置检测装置将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进行比较，将两者的差值进行位置调节，变换成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成l 基本工作原理第4页/共30页伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统要求伺服系统要求伺服系统要求伺服系统要求 1.调速范围要宽且要有良好的稳定性（在调速范围内）调速范围：RN=Fmax/Fmin 一般要求：RN 1000，且 0.1 mm/min Fmin 1 mm/min 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。2.位置精度高 实际位移与指令位移的差值要小。位置精度一般为0.010.001mm，甚至可高至0.1m。3.稳定性好 即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰的情况下，输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。4.动态响应快 即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短，一般要求在200100ms，甚至小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。第5页/共30页伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统分类伺服系统分类伺服系统分类伺服系统分类 伺服系统是一个位置随动系统，按有无位置检测和反馈有以下三种：l 开环伺服系统l 半闭环伺服系统l 闭环伺服系统第6页/共30页步进电机步进驱动装置控制器脉冲串方向脉冲相电压伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统l 开环伺服系统组成第7页/共30页 由控制器送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，驱动步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件，无需位置检测装置。系统的位置精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。位置精度较低，其定位精度一般可达0.02mm。如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到0.01mm。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制，在脉冲当量为0.01mm时，一般不超过5m/min。伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统l 开环伺服系统特点第8页/共30页位置控制调节器速度控制调节器信号处理+实际位置反馈实际速度反馈功率驱动+编码器编码器伺服电机伺服电机位置指令伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统l 半闭环伺服系统组成第9页/共30页伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统l 半闭环伺服系统特点 将检测装置装在伺服电机轴或传动装置末端，间接测量移动部件位移来进行位置反馈的进给系统称为半闭环伺服系统。在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作为一个整体，编码器完成角位移检测和速度检测，用户无需考虑位置检测装置的安装问题。这种形式的半闭环伺服系统在机电一体化设备上得到广泛的采用。第10页/共30页位置指令位置控制调节器速度控制调节器速度检测+实际位置反馈实际速度反馈功率驱动位置检测+伺服电机伺服电机测速发电机或编码器伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统l 闭环伺服系统组成第11页/共30页 将检测装置装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来进行位置反馈的进给系统称为闭环伺服系统。闭环伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服系统只能补偿部分误差，因此，半闭环伺服系统的精度比闭环系统的精度要低一些。由于采用了位置检测装置，所以，闭环进给系统的位置精度在其他因素确定之后，主要取决于检测装置的分辨率和精度。闭环和半闭环伺服系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上较开环进给系统复杂。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定的因素，因此，闭环和半闭环系统的设计和调试都较开环系统困难。伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统l 闭环伺服系统特征第12页/共30页伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统 在全数字式伺服系统中，控制器直接将位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置和速度控制功能。控制器与伺服驱动装置之间通过总线相互传递如下信息：l 位置指令和实际位置l 速度指令和实际速度l 转矩指令和实际转矩l 伺服系统及伺服电机参数l 伺服状态和报警l 全数字式伺服系统第13页/共30页 CNC 第第 n 轴伺服单元轴伺服单元 第第 1 轴伺服单元轴伺服单元SMPC总线总线总线总线SMPC 控制器 第第 n 轴伺服单元轴伺服单元 第第 1 轴伺服单元轴伺服单元SMPC总线总线总线总线SMPC伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统l 全数字式伺服系统组成第14页/共30页伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统l 全数字式伺服系统特点1.系统的位置、速度和电流环节的调整由软件实现。2.具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、温度漂移、噪声及抗干扰等方面都优于模拟式伺服系统。3.引入前馈控制，构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构。4.由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，极大地减小了连接电缆，便于设备安装和维护，提高了系统可靠性，同时通过显示终端实时监控伺服状态。当前，全数字式交流伺服系统在机电一体化设备驱动中得到了广泛应用。全数字式交流伺服可作速度、转矩和位置控制，接受指令脉冲或模拟电压指令信号，并自带位置环，具有丰富的自诊断、报警功能。各控制参数通过以下方法用数字方式设定：l 通过驱动装置上的显示器和按键进行设定l 通过驱动装置上的通信接口与上位机通信进行设定l 通过可分离式编程器和驱动装置上的接口进行设定第15页/共30页伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统控制器总线驱动装置显示设定窗口编码器信号线三相电源进线伺服电机三相电源第16页/共30页伺服概念：这是英文servo的谐音，念起来与外文的伺服发音差不多。但伺服这个字就是“侍候”，就是非常听话，让走到哪，就走到哪。在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让哪一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就动，而且这台电动机的运动速度、运动的距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完成指令要求的任务。l 伺服系统控制环路第17页/共30页很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的工作台，而且摩擦力随着季节、新旧程度、润滑状态等因素而变化，控制了一个稳定速度，精确定位，可以想象其难度之大。但是随着科学技术的进步，人们不断从生产实践中总结经验，一步一步找到了好的控制办法，这就是三环结构。第18页/共30页 三环结构如图4-1所示。第19页/共30页 这三个环就是位置环、速度环、电流环。1、位置环也称为外环，其输人信号是计算机给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号。这个反馈是负反馈，也就是说与指令信号相位相反。指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是送去减数。位置环的输出就是速度环的输人。第20页/共30页2、速度环也称为中环，这个环是一个非常重要的环，它的输人信号有两个：一个是位置环的输出，做为速度环的指令信号送给速度环；另一个由电动机带动的测速发电机经反馈网络处理后的信息，做为负反馈送给速度环。速度环的两个输人信号也是反相的。一个是加，一个是减。速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。第21页/共30页3、电流环也叫做内环，电流环也有两个输人信号，一个是速度环抽出的指令信号；另一个经电流互感器，并经处理后得到的电流信号，它代表电动机电枢回路的电流，它送人电流环也是负反馈。电流环的输出是一个电压模拟信号，用它来控制PWM电路，产生相应的占空比信号去触发功率变换单元电路，第22页/共30页使电动机获得一个与计算机指令相关的，并与电动机位置、速度、电流相关的运行状态。这个运行状态满足计算机指令的要求。这三个环都是调节器，其中有时采用比例调节器，有时采用比例积分调节器，有时还要用比例积分微分调节器关于位置反馈网络、速度反馈网络、电流反馈网络到底是什么样子可以这么说，有时是非常简单的一个电位器，或者是一个滤波电路，但有时确实是一个复杂的逻辑关系。在这里不做详细的叙述。第23页/共30页(1)前向通路传递函数-假设N(s)=0 打开反馈后，输出C(s)与R(s)之比。等价于C(s)与误差E(s)之比(2)反馈回路传递函数 假设N(s)=0 主反馈信号B(s)与输出信号C(s)之比。l 伺服系统性能分析第24页/共30页(3)(3)开环传递函数开环传递函数 Open-loop Transfer Function Open-loop Transfer Function 假设假设N(s)=0N(s)=0 主反馈信号主反馈信号B(s)B(s)与误差信号与误差信号E(s)E(s)之比。之比。(4)闭环传递函数 Closed-loop Transfer Function 假设N(s)=0 输出信号C(s)与输入信号R(s)之比。推导：因为 右边移过来整理得 即*第25页/共30页(5)误差传递函数 假设N(s)=0 误差信号E(s)与输入信号R(s)之比。代入上式，消去G(s)即得：将第26页/共30页图2-18 输出对扰动的结构图 利用公式*，直接可得：(6)输出对扰动的传递函数 假设R(s)=0*第27页/共30页（7）误差对扰动的传递函数 假设R(s)=0 图2-19 误差对扰动的结构图 利用公式*，直接可得：*第28页/共30页线性系统满足叠加原理，当控制输入线性系统满足叠加原理，当控制输入R(s)R(s)与扰动与扰动N(s)N(s)同时作用同时作用于系统时，系统的输出及误差可表示为：于系统时，系统的输出及误差可表示为：注意：由于N(s)极性的随机性，因而在求E(s)时，不能认为利用N(s)产生的误差可抵消R(s)产生的误差。第29页/共30页感谢您的观看！第30页/共30页