运动控制系统第七章新版.ppt

第三编伺服系统在生产实践中，伺服系统的应用领域非常广泛。 例如轧机轧辊压下量的自动控制、数控机床的定位控制和加工轨迹控制、舵的自动操纵、火炮和雷达的自动跟踪、航天设备的自动运行、机器人的动作控制等。 随着机电技术的发展，伺服系统已成为现代工业、国防和高新技术领域不可或缺的设备，是运动控制系统的重要分支。 伺服(Servo )意味着“服”和“服从”，广义的伺服系统是准确地跟踪和再现某一过程的反馈控制系统，也称为跟踪系统。 狭义的伺服系统的被控制量(输出量)是负载机械的空间位置的线位移或角位移，在位置任意地变化为定量(输入量)的情况下，系统的主要任务是通过迅速且正确地将输出量再现为定量的变化，从而也称为位置追踪系统。 第七章伺服系统、伺服系统的特征和构成伺服系统的基本要求；以及伺服系统的基本要求和特征伺服系统具有以下基本要求： (1)稳定性良好的伺服系统在规定的输入和干扰下，在短暂的过程之后，能够达到新的平衡状态或恢复到原来的平衡状态。 (2)精度高的伺服系统的精度是指输出量追随规定值的精度，如精密加工的NC机床那样，要求高定位精度。 (3)快速动态响应的动态响应是伺服系统的重要动态性能指标，要求系统足够快于所给出的跟踪速度，过冲小，也没有过冲。 (4)抗干扰能力强时，要求系统输出的动态变化小，恢复时间快，振荡次数小，而且没有振荡。 1 .伺服系统的构成、伺服系统由伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器4大部分构成，除了位置传感器以外，还可能需要电压、电流和速度传感器。 位置伺服系统的构成图，1 .伺服电机和功率驱动器，伺服电机是伺服系统的驱动器，在小功率伺服系统中多使用永久磁铁式直流伺服电机、直流无刷电机、永久磁铁式交流伺服电机等永久磁铁式伺服电机，磁阻式伺服大功率或大功率时，也可采用电励磁的直流或交流伺服电机。 2 .伺服系统的控制器是伺服系统的关键点，伺服系统的控制规则出现在控制器中，控制器必须根据位置偏差信号，经过必要的控制算法，产生功率驱动器的控制信号。 位置传感器，1 .电位计2 .基于电磁感应原理的位置传感器3 .光电编码器4 .磁性编码器，光电开关是位置检测装置，通常分为发光器和受光器。 在工作状态下，如果发射器发出调制光，并且从物体接收反射或阻挡反射光，则会引起接收器的入射光强度的变化，引起输出电流的变化，并且经由信号处理改变输出开关的状态，由此，能够实现测量目的。 光电开关为非接触式位置传感器，输入与输出之间没有电磁联系。 对于接触式测量，光电开关寿命长，抗电磁干扰。 在封装方式中，光电开关分为自包含式、光纤式、远程式的扫描方式中，光电开关分为透射型、漫反射型、镜反射型、槽型、光纤型、远程型的光电开关。光电开关初期主要用于工业自动化检测物体的有无，近年来应用范围扩大到物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、固定长剪切、孔识别、信号延迟、自动门传感器、色标检测、安全防护、安全警戒、远程供电、信息传输等。 (1)光源光电开关最初使用白炽灯泡作为光源，然后采用红外LED。 LED为非相干光光源，照射到10m20m时，光点直径大到20cm以上，能量非常分散，因此现在有采用激光作为光源的倾向。激光是强相干光源，能量集中，投射到500m外，光点直径还只有100mm。 (2)集成温度现在，光电开关采用专用集成电路(ASIC )有提高集成温度的倾向。 采用ASIC的光电开关反应速度快，可达到10kHz，抗冲击、抗振动、抗干扰性强，符合EMC标准，能满足小型化、低成本、规模化生产等要求。 但是，光电开关的维护参数设定仍然需要手动进行，一旦更换，就需要再次手动进行设定校准。 因此，光电开关通常设置在容易操作的位置，但不能是最佳位置，设置空间不能过小，机械结构、外形、体积的优化设计受到制约。 物体检测传感器、接口电路、光电传感器等都采用光电元件作为检测元件，首先将测定出的光的变化转换成信号的变化，通过光电元件进一步将光信号转换成电信号。 控制系统可选择透过型光电传感器、镜面反射型光电传感器等传感器作为通道进入检测传感器。 此外，通过透射式光电传感器(1)的透射式光电开关传感器的原理、透射式光电开关的内部原理、来自发射器的光被调制、调制的LED发射器发射特定频率的红外光，并且接收器的放大器仅响应于该频率的信号，来有效地消除诸如背光之类的干扰因素。 面反射型光电传感器镜面反射型光电开关(参照图2-8 )聚光器和受光器一体化。 从发送机发出的光束被相反侧的反射镜反射，如果障碍物不遮挡光，则从发送机发出的光束被反射镜反射而返回接收机，如果接收机输出某种状态(中继节点关闭等)的障碍物遮挡光，则接收机输出另一种状态，例如中继节点被切断等另外，反射型光电开关：，位置检测传感器和接口电路的动作的限制可以通过光电接近开关和霍尔开关来控制，保证了物体的移动自动地停止。 2.2.1漫反射光电接近开关传感器(1)漫反射光电接近开关传感器的工作原理、霍尔接近开关和接口电路(1)霍尔开关的原理和特征霍尔开关集成传感器属于有源磁/电转换元件，根据霍尔效应原理， 在利用先进的集成电路封装技术和组装技术制作的磁敏传感器中，容易将磁输入信号转换为实际应用中的电信号，并将其作为开关信号输出。 霍尔传感器寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，具有适应恶劣环境等优点。 霍尔开关电路由调节器、霍尔芯片、差动放大器、施密特触发、开关输出级等5个部分构成。 关于、霍尔效应，将电流I流过薄板时，在与电流和磁场垂直的方向上产生电动势EH的现象称为霍尔效应，将该电动势称为霍尔电位，将上述半导体薄板称为霍尔元件。 位移传感器、位移传感器以及功率放大器光电位移传感器(1)的定义位移传感器是利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离来测量从传感器到对象物的距离位移的测量传感器。 根据使用的元件，有光学位移传感器、线性接近传感器、超声波位移传感器等。图2-15光电位移传感器的原理是通过检测、物体反射的投光光束，在受光元件上成像。 该成像位置以根据检测物体的距离而不同的三角测距原理作为检测原理。 (2)位移传感器的原理和分类光学式位移传感器位置传感器PSD方式，通过透镜会聚来自光源的光，照射到物体上。 来自物体的反射光通过受光透镜集中在一维位置检测元件(PSD )上。物体的位置(距测量仪的距离)发生变化时，PSD上成像位置不同的PSD的2个输出平衡发生变化时，PSD上的成像位置不同，PSD的2个输出平衡再次发生变化。 将这两个输出作为a、b，计算A/(A B、b )，加工适当的代码系数k和残留误差c，(1)放大器分离型(2)放大器内置型(3)电源内置型(4)光纤型、光电位移传感器的基本要求、背景抑制BGS(BackgroundSuppression )背景抑制， 检测抑制物体的背景即前景抑制FGS(ForegroundSuppression，前景抑制)前景抑制是指检测抑制接近正常检测距离的物体。 背景和前景抑制原理一般在检测传输带上的物体时，可以选择背景抑制BGS和前景抑制FGS这两种功能的任意一种。 背景抑制BGS不检测远离设定距离的背景(带)。 前景抑制FGS的特征在于，不会检测接近设定距离的物体(或返回到受光器的光量比规定量少的物体)，传感器能够检测微小的阶梯差(BGS、FGS )。 不易受检测物体颜色的影响(BGS、FGS )。 不易受背景物体的影响(BGS )。 选择的光电位移传感器、位移传感器有一些实际应用所需的参数，对应的参数描述如下： (1)分辨率(2)线性(线性) (3)温度特性(4)响应时间、激光位移传感器道路的路面平坦度测量、光电编码器的工作原理、 光电编码器的分类1 .绝对式光电编码器、，光电编码器的安装图，2 .增量式光电编码器增量式编码器的编码盘由明暗间的条纹构成。 一般来说，相同分辨率的增量编码器比绝对编码器便宜得多。 增量式光电编码器主要用于测量速度，增量式编码器可根据轴的旋转位移量输出脉冲串，电荷耦合元件CCD与激光测量系统、激光光纤通信、光纤总线控制网络、 系统测量方案激光扫描测量系统是集激光技术、光学技术、计算机技术、精密机械技术、电子技术为一体的光电机械系统。 由激光、棱镜、反射镜-透镜、光电接收机、信号处理电路、单片机、键盘、数字显示组成。 将受光器的信号输出：LX2-V系列透射式传感头置于电阻的上下，检测电阻的位置。 根据激光束的中断区域的变化，检测双馈电阻或位置不正确的电阻。活塞直径LS系列可测量活塞的外径，准确测量到亚微米左右。 两套扫描头可以安装在任何生产线上。 7.2伺服系统的跟踪性能、1 .检测误差2系统误差、7.3伺服系统控制对象的数学模型根据伺服电机的种类，伺服系统分为直流和交流两种。 以下分析了两种伺服系统控制对象的数学模型。7.3.1直流伺服系统的受控数学模型、直流伺服电动机的数学模型和调速电动机没有本质差异，假定气隙磁通一定，直流伺服电动机的状态方程式为、e感应电动势、Te电磁转矩、机械传动机构的状态方程式为、常用的交流伺服电动机无论是异步电动机还是同步电动机，都经过矢量变换、交链磁通方向和电流闭环控制，与电流控制的直流电动机等效，现在以三相异步伺服电动机为例进行分析。非同步电动机通过转子交链磁通取向的数学模型由、转子交链磁通控制，转子交链磁通达到稳定状态后，转子交链磁通等于常数，设电动机极对数=1时，通过电流交链磁通控制后，考虑旋转角和转速的关系，对象的数学模型由、 无视作为7.4伺服系统设计的单环位置伺服系统APR位置调节器UPE驱动装置sm-直流伺服电动机bq-位置传感器、负载转矩，能够将图7-5的直流伺服系统控制对象结构简化为图7-8，简化后的直流伺服系统控制对象传递函数， 选择PD调节器，将传递函数作为(7-14 )、单环位置控制直流伺服系统结构图、的简化系统的开环传递函数，可参照(7-16 )、系统的开环传递函数的条形图，使用Routh稳定基准，求出系统稳定。2 .双环伺服系统、电流闭环控制有抑制制动电流、加速电流的响应过程。 对于交流伺服电机，电流闭环有改造对象，实现了励磁成分和转矩成分的解耦，得到了等效的直流电机模型。 因此，基于电流闭环控制，直接设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器的片是电流的最大值，图7-11是双环位置伺服系统的结构图，图中以直流伺服系统为例，也适用于交流伺服系统，对伺服电动机和驱动装置进行相应的变更、忽略双环位置伺服系统、图7-11双环位置伺服系统、负载扭矩，并且图7-6的具有电流闭环控制对象的传递函数选择、APR或PI调节器，其传递函数为、双环位置伺服系统的结构图、系统的开环传递函数或系统的特征方程式、或当将APR改变为PID调节器时，其传输函数或开环传输函数为，图7-13或是采用PID控制的双环控制伺服系统的开环传输函数Bert，其中，低带宽、系统有充分的稳态精度，保证了中带宽、系统稳定性，并且给出了系统一定程度的稳定性当APR仍在采用PI调节器时，在位置反馈的基础上加上微分负反馈，动态性能有些差异，但可以在不影响系统稳定性的3 .三环伺服系统、调速系统中设置位置控制环，形成三环控制的位置伺服系统。 其中，位置调节器APR是位置环的校正装置，其输出限位值决定电动机的最高转速。 另外，图7-15三环位置伺服系统由直流转速闭环控制系统或者典型的II型系统设计，图7-16表示转速环结构图，开环传递函数用角速度表示，图7-16表示转速环结构图，以及，与第2章的不同之处在于，转速表示传递函数中参数的物理意义在交流伺服电动机的情况下，如果假定交链磁通一定，则矢量控制系统的简化结构如图7-17所示，其中转速调节器ASR采用PI调节器，图7-17的矢量控制系统的结构图中，开环传递函数与，式(7-33 )的结构完全相同因此，以下的设计方法将由式(7-33 )导出的转速闭环传递函数应用于直流和交流伺服系统，再加上转速和转速的传递函数，构成位置环的控制对象，参照图7-18。 位置环的控制对象构造图、位置环控制构造图、位置环控制对象的传递函数、位置环控制构造图如图7-19所示，APR是位置调节器。 开环传递函数，其中，位置调节器的传递函数是图7-19的位置闭环控制结构图，控制对象是在前方通路中具有积分环路，因此在输入了步进信号的情况下，APR选择p调节器时能够稳定地实现无静差。 系统的开环传递函数可以改写为， 其中，调节器的比例系数，是系统的开环放大系数。关于、伺服系统的闭环传递函数，可以通过、系统的特征方程式、Routh稳定判定基准求出系统的稳定条件，如果、h为中频宽度，则式(7-41 )在输入为速度信号的情况下