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第九章位置随动系统共34页文档

பைடு நூலகம்
第9章位置随动系统
角位移检测元件——光电编码盘
光电编码盘(简称光电码盘)也是目前常用的角位移检测元件。编码盘是一种按一定编码形式(如二进制编码)，将圆盘分成若干等分(图 9-5为16个等分)；并分成若干圈，各圈对应着
编码的位数，称为码道。如图9－5所示的编码盘为四个码道。图9-5a即为一个4位二进制编码盘，其中透明(白色)的部分为“0”，不透明(黑色)的部分为“1”。由不同的黑、白区域的排列组合即构成与角位移位置相对应的数码，如“0000”对应“0”号位，“0011”对应
U K (i o) K
第9章位置随动系统
角位移检测元件——圆盘式感应同步器
圆盘式感应同步器的结构如图9-4所示。其定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。其节距也是 2mm，而且定子中两个绕组相差也是1/4节距。工作原理和特点与直线性感应同步器基本上是一样的。其测量角位移的精度可达0.3″。
第9章位置随动系统
机械特性如前所述，电动机的机械特性是控制电压不变时，转速与转矩间的关系。由于交流伺服电动机的转子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下降。对于不同的控制电压，它为一簇略带弯曲的下垂斜线，见图9－11a。由图可见，在低速时，它们近似为一簇直线，而交流伺服电动机较少用于高速，因此有时近似作线性特性处理。这样，交流伺服电动机的传递函数也可近似以式(9－2) 与式(9－3)
第9章位置随动系统
第9章位置随动系统
系统的组成框图
第9章位置随动系统
系统框图
G(s)K1
(T0s1)(T1s1) K' K2

伺服系统

加减速时间设定
加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大，系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加减速升降速时间。
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
伺服系统组成
机电一体化技术
伺服系统组成
位置控制 + 位置控制调节器 — 速度控制
+
—
--
位置指令
速度控制调节器
功率驱动
机械传动机构
实际速度反馈速度检测电机实际位置反馈位置检测
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
基本工作原理
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
v、a v a
v、a
v
a
O t O
ta
t1
ta
t2
t
线性加减速
指数加减速
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
阻尼
运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率，系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。
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，

伺服控制系统随动系统

特点与回顾

综合性、专业性，知识面宽，内容多而杂
数学、电子线路、电机学、机械基础、控制理论、力学、计算机、液压与气动、电力电子学都要涉及具有穿线的作用

注重实践
控制系统设计、实现、调试、试验

和自控原理的比较

什么是伺服系统（Servo System）
随动系统 — 调节系统是控制系统中的一类系统它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环）例：雷达系统、机器人机械臂、猎雷声纳平台
伺服控制系统（随动系统） —— 调节控制系统
跟踪输入变化，克服负载与噪声干扰——使对象保持某一状态两类系统共同点：一般都是反馈控制系统两类系统不同点：四个方面 1、输入信号时变、跟踪、未知、复杂 —— 常值阶跃、已知、简单 2、误差特点跟踪误差来源于输入信号的随机变化 —— 广义干扰引起 3、过渡过程质量、精度过渡过程质量高、精度、快速性好——精度高，过程一般 4、负载特点负载惯性与摩擦——广义干扰你中有我，我中有你
执行电机
减速器
对象
c(t)

组成伺服系统按职能可分为以下六个部分
1.测量元件
其职能是检测被控制的物理量，在随动系统中被测量是角度或位移，而在速度控制系统中被测量是转速或角速度。 2.给定元件其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输出量 3.比较元件其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。
5、负载扰动作用下系统的响应
负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要技术指标之一衡量抗扰能力一般取大转速降(升)Δnmax与响应时间tsf来度量

伺服驱动系统

（2）驱动电路接收微机发出的指令，并将输入信号转换成
电压信号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。转速的大小由指令控制。若要实现恒速控制功能，驱动电路应能接收速度反馈信号，将反馈信号与微机的输入信号进行比较，将差值信号作为控制信号，使电动机保持恒速转动。
（3）执行元件可以是直流电动机、交流电动机，也

速度控制过程：图8-1中的测速发电机和速度反馈电路组成的反馈回路可实现速度恒值控制。测速发电机和伺服电动机同步旋转，假如因外负载
增大而使电动机的转速下降，则测速发电机的转速下
降，经速度反馈电路，把转速变化的信号转变成电信号，送到驱动电路，与输入信号进行比较，比较后的差值信号经放大后，产生较大的驱动电压，从而使电动机转速上升，恢复到原先调定转速，使电动机排除
1.3 伺服系统的分类
（1）按驱动方式分可分为液压伺服系统、气压伺服
系统和电气伺服系统。
（2）按执行元件的类别分类可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统和步进电动机伺服系统。（3）按有无检测元件和反馈环节分类可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
（4）按输出被控制量的性质分类可分为位置伺服系
用的控制方式。
双三拍控制方式：
如果要采用三相三拍控制方式，可以采用双三拍控制方式，即通电顺序按AB → BC → CA →AB … …进行。由于双三拍控制方式每次有两相绕组通电，而且切换时总保持一相通电，故工作较稳定。
综上所述，可以得出如下一些结论:
（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角θ。（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，则转子反转。

伺服控制系统设计

Wop (s)
s(Ts s
K 1)(T2 s
1)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统旳闭环传递函数
W cl
(s)
TsT2 s 3
(Ts
K T2 )s2
s
K
闭环传递函数旳特性方程式
TsT2s3 (Ts T2 )s2 s K 0
3.2 单闭环位置伺服系统
用Routh稳定判据，为保证系统稳定，
须使
K
Ts T2 TsT2
单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性
3.3 双闭环伺服系统
在电流闭环控制旳基础上，设计位置调整器，构成位置伺服系统，位置调整器旳输出限幅是电流旳最大值。以直流伺服系统为例，对于交流伺服系统也合用，只须对伺服电动机和驱动装置应作对应旳改动。
3.3 双闭环伺服系统
Tm
R J CT Ce
Tl
La R
3.2 单闭环位置伺服系统
驱动器
电机
直流伺服系统控制对象构造图
采用PD调整器，其传递函数为
减速器
WAPR (s) WPD (s) K p (1 d s)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统开环传递函数
Wop (s)
s(Ts s
K ( d s 1)
1)(TmTl s2 Tms
3.5 复合控制旳伺服系统
前馈控制器旳传递函数选为
G(s) 1 W2 (s)
得到
m (s) 1
* m
(
s)
3.5 复合控制旳伺服系统
理想旳复合控制随动系统旳输出量可以完全复现给定输入量，其稳态和动态旳给定误差都为零。系统对给定输入实现了“完全不变性” 。需要引入输入信号旳各阶导数作为前馈控制信号，但同步会引入高频干扰信号，严重时将破坏系统旳稳定性，这时不得不再加上滤波环节。

数控机床的伺服驱动系统

不同的含义。数组说明的方括号中给出的是某一维的长度;而数组元素中的下标是该元素在数组中的位置标识。数组是一种构造类型的数据。一维数组可以看作是由一维数组嵌套而构成的。
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机，是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组，而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°；下一步C相通电，B相断电，

伺服系统

内容提要

伺服系统的特征及组成

伺服系统控制对象的数学模型
伺服系统的设计

9.1伺服系统的特征及组成
伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求： (1) 稳定性好伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。
伺服系统的开环传递函数
9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型
图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图
9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型
用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机，称作交流伺服系统。常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等，也可用电励磁的同步伺服电动机。无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机。

直流伺服电动机的状态方程
d 1 1 Te TL dt J J R dI d 1 1 Id E Ud0 dt L L L

机械传动机构的状态方程
d m dt j
9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型

驱动装置的近似等效传递函数
Ks Ts s 1

最大的开环极点，以加快系统的响应过程。系统的开环传递函数
K W op ( s ) s(Ts s 1)(T2 s 1)
9.3.2单环位置伺服系统
伺服系统的闭环传递函数
K W cl ( s) TsT2 s 3 (Ts T2 ) s 2 s K
闭环传递函数的特征方程式

9.1.2伺服系统的组成

数控机床的伺服系统

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4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次，即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单，信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，