交流伺服系统(2010壮壮整理版).docx

1. 什么叫伺服系统？它主要的研究内容是什么？伺服系统是指以被驱动机械物体的位置、方位、姿态为被控制量，使之能随指令值的任意变化进行追踪的控制系统。伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动控制。在广义的角度上看，电动机的调速系统也可以认为是伺服控制的一种，只不过在调速系统中，强调的被调量是电动机的转速，更加有效地实现功率变换。2. 伺服系统的作用是什么？忠实跟踪给定信号，即按控制器发出的控制命令而动作，并产生足够的力或力矩，使被驱动的机械获得期望的运动速度和位姿。（1）其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。3. 伺服系统的有哪几部分组成？传感器：感知系统内部和外部的状态，向信息处理器提供内部和外部的有关信息。信息处理器：完成信息的转换、加工处理、传输，进行整个产品的控制和管理。驱动装置：对功率实行处理，进行放大、变换和调控，以便获得适当功率推动机构运动。机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体，起支持与定位作用。 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也向传感器、信息处理器提供所需的能量。伺服电机（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放大模块 电流调解单元，速度调解单元 检测装置4. 对伺服系统的基本要求是什么？(1)稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态。(2)精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在 0.010.00lmm之间。(3)快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。5. 伺服系统的主要特点是什么？(1)精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。(2)有多种反馈比较原理与方法:根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种。(3)高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。(4)宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。6. 伺服系统的分哪几类？伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统，直线电动机伺服系统：按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。7. 交流伺服系统与直流伺服系统哪个好？由于DC伺服电动机存在机械换向器，需要较多的维护，运行火花使应用环境受到了某些限制，转子容易发热，影响与其相连接的丝杠精度，高速运行和大容量设计都受到机械换向器的限制。这些缺点和限制都是由变流机构机械换向器所造成的。AC伺服电动机本身结构简单，坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械换向，无需多少维护。由于电力电子器件组成的逆变器以及微电子器件对逆变器的控制灵活性，为取代机械换向器提供了条件，才有可能包括AC伺服电动机、逆变器及其控制回路等组成的整体装置AC伺服系统，达到DC伺服电动机及DC伺服系统的控制性能，而克服了DC伺服电动机的缺点，发挥了AC伺服电动机的长处。 8. 变频器是不是交流伺服系统？两者有什么区别？不是。变频器只是一个V-F转换，属于开环控制。伺服系统必须有闭环控制，变频只是伺服的一个部分，伺服是在变频的基础上进行闭环的精确控制从而达到更理想的效果，伺服系统是最高档的变频器。9. 工业机器人伺服系统与数控机床伺服系统有什么相同点和不同点？相同点： 应能控制施加于机械上的力或力矩的大小。 应能使机械快速或缓慢平滑地移动。 应能调整机械的加速度或减速度的大小。 应能使机械移动到所规定的距离。 应能使机械运动跟踪控制指令。 应能在规定的位置上使机械保持停止状态。 应能使机械的移动方向在正反两个方向上自由地改变。 不同点：数控机床进给装置的负载在相当宽的范围内具有恒转矩的性质，而且负载惯量变化很小，而工业机器人伺服电动机轴上的惯量和力矩随着工业机器人运动姿态和负载的不同将发生很大变化。后者对伺服驱动系统所产生的力或力矩的适应性，提出了更高的要求，而使控制问题复杂化，要求电动机的体积和重量应该尽可能地小。另一方面，由于数控机床是用于精密机械零件的加工，所以对动态和静态控制精度提出了很高的要求，要求伺服驱动系统具有非常宽阔的调速范围和定位精度，而工业机器人一般来说就没有数控机床的要求高。10. 请简单叙述伺服系统的静刚度、动刚度。静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。 静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量，动刚度则是用结构振动的频率来衡量； 如果动作用力变化很慢，即动作用力的频率远小于结构的固有频率时，可以认为动刚度和静刚度基本相同。否则，动作用力的频率远大于结构的固有频率时，结构变形比较小，动刚度则比较大。 但动作用力的频率与结构的固有频率相近时，有可能出现共振现象，此时动刚度最小，变形最大.11. 直流机调速特性好，但为什么不都用直流机？ 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高。12. 矢量变换的物理意义是什么？为什么要进行矢量变换？ 将交流电动机模拟成直流电动机，用对直流电动机的控制方法来控制交流电动机。方法：把异步伺服电动机的定子电流分成两个电流分量进行分别独立控制，一个电流分量与转子磁通方向一致，该电流分量称为定子电流的励磁分量；另一个电流分量与转子磁通垂直，该分量称为定子电流的转矩分量。可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。13. 直接驱动的好处？不足？直接驱动省去了机械变换机构，消除了中间传递误差，提高了进给系统的刚度，降低了传动环节的惯量，从而实现了高速化和高定位精度。系统参数摄动、端部效应、负载扰动等诸多不确定性因素的影响将直接反映到直线电机的运动控制中，而没有任何中间的缓冲过程，这会降低性能指标，甚至导致系统的不稳定。因此增加了控制上的困难，不可能采用所谓的半闭环控制方式，只能采用全闭环控制。所以要设计出具有强鲁棒性的伺服控制器，增加了设计控制器的复杂性。14. 请叙述机床伺服系统常用的速度和位置传感器。光电编码器（增量式光电编码器，绝对式光电编码器，混合式光电编码器）磁编码器、旋转变压器、多转式绝对值编码器感应同步器光栅15. 说说常规控制器的特点16. 机床伺服系统位置控制器和速度控制器能用同一种类的控制器吗？为什么？你能说出它们各自常用的两种控制器类型吗？不能。位置控制器要求在到达指定位置时，速度为零而积分环节有保持作用，所以位置控制器不能有积分环节；而速度控制器要求在到达指定速度时保持电流恒定。必须有积分环节保持电流恒定。所以位置控制器可以使P、，速度控制器是、。17. 在伺服系统中，内环和外环控制器在设计时有什么区别（或要注意哪些问题）？外环有快速响应指令的能力，并且在稳态时具有良好的特性硬度，对各种扰动具有良好的抑制作用。内环响应要比外环快，时间常数小。以适应对信号瞬时值跟踪控制的要求18. 转矩伺服适用于什么场合？转矩控制与电流控制是一回事吗？有什么异同？有些负载，例如螺栓拧紧机构，只需要AC伺服电动机提供必要的紧固力，并根据需要紧固力的大小来决定伺服电动机的转矩控制和转矩限制，而对伺服电动机的速度和位置是没有要求的。在这种应用场合，就应该采用转矩控制形式。又由于在AC伺服系统中，AC电动机的永磁转子磁极位置通过位置传感器测量出来，并以此信号作为电流控制的依据，从而实现磁场和电流两者的正交控制。在这种情况下，AC伺服电动机所产生的电磁转矩与电枢电流成正比，故转矩控制实际上也就是电流控制。19. 模拟控制与数字控制各有什么优缺点？模拟控制的优点： 由于控制信号是连续的，故整个控制系统对控制信号的响应很快。 系统虽然存在着来自内部渐变噪声的影响以及来自外部扰动的影响，使系统的输出产生误差，但这种误差一般来说不是致命性的，仍可维持系统工作。 控制系统内部和输出状态及其变化容易用仪器仪表观察、记录。模拟控制的缺点： 由于模拟伺服系统是模拟电子器件构成的系统，模拟电子器件特性具有分散性，使系统的调整困难，工作点不易准确地调整到设定值。这样作为伺服控制系统驱动的各坐标轴之间会产生增益误差。 模拟器件的工作状态极易受温度影响而产生漂移，破坏已调整好的运行状态。因此，模拟控制的伺服系统难以实现高精度的控制要求。 由于模拟控制伺服系统基本上是由硬件器件组成，缺少柔性，缺乏复杂的计算能力，不能发挥软件技术的优势，很难应用现代控制理论的某些成果来改善伺服系统的性能。因此它难以实现高精度、高性能的控制要求。数字控制的优点： 因为是用数字信号传送信息的，所以不易受温度影响。 由于采用数字信号交换信息，所以容易实现与上位计算机通讯，容易使伺服系统纳入整个自动化系统，成为其中的一个有机组成部分。 具有完成复杂规律的计算能力，充分发挥软件技术的优势，使系统具有较高的柔性，容易应用现代控制理论，使系统具有更高的性能。数字控制的缺点： 控制的响应速度由数字运算单元的运算速度所决定，因而响应速度存在上限，不及模拟系统快。 一旦受到噪声的严重影响，控制作用可能导致失败。 在目前，数字系统的成本仍然较高。20. 为什么线性好，非线性不好？线性系统有一个单位的电流变化调节，就对应一个单位转矩的变化，变化比例一定；非线性系统同样的电流变化量转矩变化量不同，系统容易不稳定，并且系统控制复杂，调节时间变长。21. 为什么说用绝对式编码器比增量式编码器控制精度高？绝对式检测方式克服了增量方式的缺点，它的任何一个被检测的位置都以同一个固定的零点做基准参考点，对应着一个确定的数值。也就是说，输出数值是轴位置的单值函数，在一转范围内，二者具有一一对应的关系。这种方式的好处在于，在故障停电数据丢失或在运行时虽然通电，但无数据读出的情况下，由于轴位置和数据的一一对应关系，轴位置便能保留和记忆，一旦供电后就可以从停止前的位置开始正常运行了。22. 通常在控制回路中设置积分因素，为什么？积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差，所以采用积分控制器有利于提高系统的稳态性能。23. 交流伺服系统的基本组成。是由控制回路和主回路两大部分组成。主回路部分主要由功率变换器的功率开关器件及其驱动部分组成；控制回路主要由电流控制器、速度控制器和位置控制器以及与其相应的基准信号产生、反馈信号的检测、处理电路等组成。24. 对于伺服系统,通常可以用几个动态和静态的指标来描述，并作简要说明。1. 稳定性 所谓伺服系统的稳定性是指在突变的指令信号或外来扰动作用下，伺服系统能够以最大允许速度达到新的或恢复到原来的平衡位置的能力。在实际运行中，伺服系统经常要接受各种形式指令信号的控制作用，也必然承受到系统内部参数的摄动影响和来自外部的干扰。如果系统没有较强的稳定性，则可能导致系统产生不稳定，就无法完成伺服驱动的任务，更谈不上有良好的动、静态品质指标。良好的稳定性，充分的稳定裕度是系统可靠运行的前提。2. 高精度 伺服系统驱动受控机械运动，要求机械运动严格按照指令信号所给定的规律进行，对其运动速度和位置必须高精度实时检测与控制，以使输出高精度复现输入指令信号。无论在动态还是静态中或受到干扰的情况下都应该具有这种追踪指令、保证与指令高度一致性的能力，希望实现具有高精度输出。3. 快速的响应能力和抑制扰动的能力 快速响应是伺服系统动态品质的一项十分重要的品质指标。它不但反映了系统对参考信号的跟踪精度，也反映了系统在受到扰动使原运行状态遭到破坏后，如何快速抑制状态继续恶化并尽快恢复到原始状态的能力。总之，对指令跟踪响应和对扰动抑制都要求伺服系统快速反应。实际上，静态是动态过程的一种特殊情况。从微观上看，被控量所谓处于静态也不是绝对静止不动的，而是在微观上的高速调节运动才可能使被调量在宏观上保持相对静态的存在。所以说，快速反应能力在系统诸项指标中最为重要，具有更基本的性质。当然，快速性要服从系统的稳定性要求，对一个不稳定的系统，谈论它的品质好坏是毫无意义的。 另外，还要求伺服系统工作可靠，适应环境变化，具有较强的鲁棒性等等。25. 影响系统伺服性能的扰动因素多种多样，说明如下。 1. 负载转矩扰动 2. 风阻扰动 3. 摩擦扰动 (1) 静摩擦 (2) 滑动摩擦 (3) 粘滞摩擦 4. 纹波转矩扰动 5. 齿槽转矩扰动 6. 电阻变化扰动 7. 永磁体磁链谐波扰动 8. 时滞扰动 9. 转子质量变化扰动 10. 端部效应 (1) 纵向端部效应 (2) 横向端部效应 26. PID控制具有的优点 PID控制原理简单，使用方便，并且已经形成了一套完整的参数设计和参数整定方法，很容易为工程技术人员所掌握。 PID控制算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。通过对比例系数、积分时间常数和微分时间常数的适当调整，可以达到良好的控制效果。