马昕教授电力拖动与运动控制课件9--伺服系统.ppt

第八章 伺服系统 CSSSE 主要内容 *第八章 伺服系统2 伺服系统伺服系统 伺服系统常用电机 位置控制技术 CSSSE 一、伺服系统 *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，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪 CSSSE 一、伺服系统 *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目的： 1. 以小功率指令信号去控制大功率负载 2. 在无机械连接情况下，实现远距离同步传动 3. 使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令 CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统5 1.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 坐标系统 z x y C B A CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统6 2. 最小运动增量(minimum incremental motion)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： CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统7 5. 跟踪误差(following error)： 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(settling time)： 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： CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统8 8. 稳态误差(steady-state error)： 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(motion profile)： 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： CSSSE 一、伺服系统 *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： p 开环伺服系统 步进电动机驱动、无位置反馈和校正环节 p 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 CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统10 位置检测器 电压比较放大器 可逆 功率 放大器 SM 减速器 手轮 电位器式伺服系统原理图 负载 CSSSE 一、伺服系统 *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 CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统12 v 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： v 不同点： 调速系统为了维持输出转速的恒定， 抗扰性能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。 CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统13 典型伺服系统原理框图 可逆 功率 放大器 SM 减速器 位置 给定 位置 调节器 速度 控制器 负载 位置 检测 CSSSE 一、伺服系统 *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(position control)/点到点控制(point to point control) 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(strait control)/平行控制(parallel control) 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(contouring control)/连续轨迹控制(continuous path control) 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 CSSSE 一、伺服系统 *第八章 伺服系统15 轮廓控制本质上属于位置伺服控制 控制目标 (曲线) 控制器 加工程序刀具 加工精度、加工速度、刀具半径 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 始点 终点 CSSSE 主要内容 *第八章 伺服系统16 伺服系统 伺服系统常用电机伺服系统常用电机 步进电动机步进电动机 伺服电动机伺服电动机 位置控制技术 CSSSE 步进电机 *第八章 伺服系统17 步进电动机是一种完成增量运动增量运动的电磁机械 特点：接受数字控制信号（电脉冲信号），特点：接受数字控制信号（电脉冲信号）， 把电脉冲把电脉冲 信号转换成角位移信号转换成角位移 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 CSSSE 步进电机 *第八章 伺服系统18 步进电动机最基本的运行方式：运行方式：开环系统 增量式位置控制系统 步进电机分类：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 CSSSE （）磁阻式步进电机 *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 CSSSE （）磁阻式步进电机 *第八章 伺服系统20 工作方式工作方式 . 单三拍工作方式 A-B-C-A顺序供电 . 双三拍工作方式 AB-BC-CA-AB顺序供电 . 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 CSSSE （）永磁式步进电机 *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 CSSSE （）永磁式步进电机 *第八章 伺服系统22 工作过程： 第第1 1拍：拍：S1、S3闭合， 转 子箭头指向1； 第第2 2拍：拍：S2 、S3闭合； 第第3 3拍：拍：S2、 S4闭合； 第第4 4拍：拍：S4、 S1闭合。 每拍转子逆时针旋转每拍转子逆时针旋转9090 0 0 ，4 4拍完成拍完成1 1个循环个循环 永磁式步进电动机工作原理 CSSSE （）永磁式步进电机 *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 CSSSE 2伺服电动机 *第八章 伺服系统24 伺服电动机的作用是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 CSSSE （）交流伺服电动机 *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 CSSSE （）交流伺服电动机 *第八章 伺服系统26 当有控制电压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：对伺服电动机的要求： 在控制电压作用下就能启动，在控制电压作用下就能启动， 电压消失后应能立即停转电压消失后应能立即停转 无控制电压时，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。 交流伺服电动机原理图 M CSSSE （）直流伺服电动机 *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他励直流电动机 工作原理也和直流电动机一样(T T e e =C=C T T mm I Ia a ) 它在性能方面的独到之处是调速范围宽、线性特性好、调速范围宽、线性特性好、 启动转矩大、响应速度快启动转矩大、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 ） CSSSE 主要内容 *第八章 伺服系统28 伺服系统 伺服系统常用电机 位置控制技术位置控制技术 CSSSE 三、位置控制技术 *第八章 伺服系统29 位置控制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 CSSSE 步进电动机相关控制技术 *第八章 伺服系统30 步进电机与交直流电机步进电机与交直流电机 的不同之处在于：的不同之处在于： 仅仅接上供电电源仅仅接上供电电源 它是不会运行的它是不会运行的 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 CSSSE 步进电动机相关控制技术 *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 CSSSE 步进电动机相关控制技术 *第八章 伺服系统32 脉冲发生器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 脉冲发生器脉冲发生器可以用微处理器代替 脉冲分配器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 CSSSE 步进电动机相关控制技术 *第八章 伺服系统33 驱动电路是功率放大器功率放大器，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 单极性驱动电路双极性驱动方式 CSSSE 基于微控制器的步进电动机控制 *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步进电动机运动系统相关控制技术 CSSSE 基于微控制器的步进电动机控制 *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步进电动机运动系统相关控制技术 CSSSE 基于微控制器的步进电动机控制 *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 1.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； 2.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 在点位控制过程中，运行速度都需要有一个 加速 恒速 减速 低恒速 停止的过程 步进电动机运动系统相关控制技术步进电动机运动系统相关控制技术 CSSSE 基于微控制器的步进电动机控制 *第八章 伺服系统37 升速规律：升速规律： 1. 1. 按照直线规律升速按照直线规律升速 加速度恒定 2. 2. 按照指数规律升速按照指数规律升速 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 CSSSE 伺服电动机位置闭环控制 *第八章 伺服系统38 比较环节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 CSSSE （）鉴相式伺服系统 *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伺服电动机运动系统位置闭环控制 CSSSE （）鉴相式伺服系统 *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伺服电动机运动系统位置闭环控制 CSSSE （）鉴幅式伺服系统 *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： 1.其测量元件是以鉴幅工作方式工作的； 2.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伺服电动机运动系统位置闭环控制 CSSSE （）鉴幅式伺服系统 *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伺服电动机运动系统位置闭环控制 CSSSE （）数字比较式伺服系统 *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伺服电动机运动系统位置闭环控制 CSSSE （）数字比较式伺服系统 *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伺服电动机运动系统位置闭环控制 CSSSE （）计算机实现的伺服电动机位置闭环控制 *第八章 伺服系统45 伺服电动机运动系统位置闭