机电一体化——第六章 伺服系统设计

第6章伺服系统设计6.1概述6.1.1伺服系统的基本结构在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。

它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。

数控机床的伺服系统是指机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。

伺服系统的结构类型繁多，其组成和工作状况也不尽相同。

一般来说，其基本组成可包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图6.1所示。

图6.1伺服系统的组成(1)控制器控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。

常用的控制算法有PD（比例+微分）、PI（比例+积分）、PID（比例+积分+微分）控制以及根据系统要求所设计的最优控制等。

控制器通常由电子线路或计算机组成。

2.功率放大器伺服系统中的功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。

在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要用各种电力电子器件组成。

3.执行机构执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。

目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占据较大的比例。

伺服电动机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。

4.检测装置检测装置的任务是测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。

伺服传动系统中，用来检测位置量的检测装置有：自整角机、旋转变压器、光电码盘等；用来检测速度信号的检测装置有：测速发电机、光电码盘等。

检测装置的精度是至关重要的，无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。

伺服系统的种类很多，按其组成元件性质划分，有全部由电气元件组成的电气伺服系统，有电气元件与液压（或气动）元件组合的电气-液压（气动）伺服系统。

电气伺服系统又包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。

按控制方式划分，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统以及由开环与闭环组合的复合伺服控制系统。

开环伺服系统结构较为简单，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。

缺点是精度低、抗干扰能力差。

一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的机电一体化系统。

闭环代伺服系统采用反馈控制原理组成系统，它具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点。

缺点是系统结构复杂、成本高等。

一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统。

6.1.2伺服系统的基本要求伺服系统是控制系统在机电一体化技术中的具体体现，因此与控制系统一样，伺服系统也必须满足“稳”、“准”、“快”的基本要求。

(1)稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。

稳定的伺服系统在受到外界干扰或输入指令作用时，其输出响应的过渡过程随着时间的增加而衰减，并最终达到与期望值一致。

不稳定的伺服系统，其输出响应的过渡过程随着时间的增加而增长，或者表现为等幅振荡。

因此伺服系统的稳定性要求是一项最基本的要求，也是伺服系统能够正常运行的最基本条件。

伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号（包括指令信号和扰动信号）的性质或形式无关。

在机电一体化系统中，执行装置一般处于系统回路之内（图6.2a ）,其结构、固有频率和回程误差将影响系统的稳定性，而传动误差的低频分量（低于伺服带宽那部分传动误差）可得到校正。

对图6.2b所示的开环系统，无检测装置，不对过程位置进行检测和反馈，执行装置的传动误差和回程误差直接影响整个系统的精度，但不存在稳定性问题。

一个伺服系统是否稳定，可根据系统的传递函数，采用自动控制理论提供的各种方法来判别。

图6.2控制系统中执行装置（a）闭环控制系统；（b）开环控制系统(2)精度及系统误差伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。

伺服系统工作过程中通常存在着三种误差，即动态误差、稳态误差和静态误差。

稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往往是一个振荡衰减过程，在动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差称为系统的动态误差。

在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后，输出量对输入量的偏差可能会继续存在，这个偏差称为系统的稳态误差。

系统的静态误差则是指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差。

影响伺服系统精度的因素很多，就系统组成元件本身的误差来讲，有传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。

此外，伺服系统本身的结构形式和输入指令信号的形式对伺服系统精度都有重要影响。

从构成原理上讲，有些系统无论采用多么精密的元器件，也总是存在稳态误差，这类系统称为有差系统，而有些系统却是无差系统。

系统的稳态误差还与输入指令信号的形式有关，当输入信号形式不同时，有时存在误差，有时却误差为零。

(3 )快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，常由系统的上升时间（输出响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，常由系统的上升时间）来表征，它主要取决于系统的阻尼比。

阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量（系统输出响应的最大值与稳态值之间的偏差）增大和调整时间（系统的输出响应达到并保持在其稳态值之间的偏差）增大和调整时间（系统的输出响应达到并保持在其稳态值的一个允许的误差范围内所需的时间）加长，使系统相对稳定性降低。

二是指动态响应过程结束的迅速程度，用系统的调整时间来描述，并取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率。

当阻尼比一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。

伺服系统所能提供的最高速度与最低速度（常常是最高转速与最低转速）之比称为系统的调速范围，即m inN N R x ma N （6.1） 式中，min max 、N N 分别为额定负载时的最高速度（或转速）和最低速度（或转速）；NR 为调速范围。

调速范围包括如下含义：1）N R 大，并在该调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行。

2）无论在高速还是在低速驱动时，输出的力或转矩稳定。

当速度变化时，驱动装置能平滑地运行、力矩波动要小。

在很低速度驱动时，速度平稳，并能输出额定力或转矩。

3）在零速时，一般希望驱动装置能够处于伺服“锁定”状态。

伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时，必须首先满足系统的稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。

此外，对机电一体化伺服系统还有负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面的要求，这些要求都应在设计时给以综合考虑。

6.1.3伺服系统设计的内容和步骤设计伺服系统必须按照用户提出的要求，依据被控对象工作性质和特点，明确对伺服系统的基本性能要求；同时要充分了解市场上器材、元件的供应情况，了解它们的性能质量、品种规格、价格与售后服务，了解新技术、新工艺的发展状态。

在此基础上着手设计，以免闭门造车。

系统设计的主要内容和步骤如下：(1) 系统总体方案的初步制订首先根据需要与可能，以伺服系统的总体有一个初步的设想。

是采用纯电气的，还是采用电气-液压的或是电气-气动的？在确定采用纯电气的方案时，是采用步进电动机作执行元件，还是采用直流伺服电动机或是交流伺服电动机？系统控制方式是用开环的还是闭环的或是复合控制的？是采用模拟式的还是采用数字式的？整个系统应由哪几个部分组成？这些问题地制订方案时必须明确回答。

(2)系统的稳态设计总体方案仅仅是一具粗略的轮廓，必须进一步将系统的各部分具体化，通常先根据对系统稳态性能的要求，进行稳态设计，将系统各部分采用的型号规格和具体参数值确定下来。

系统的稳态设计也分步骤进行，首先要根据被控对象运动的特点，选择系统的执行电机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动执行电机的功率放大装置；再根据系统工作精度的要求，确定检测装置具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的电路参数。

然后根据已确定的执行电机、功率放大装置和检测装置，设计前置放大器、信号转换电路等。

在考虑各元、部件相互连接时，要注意阻抗的匹配、饱和界限、分辩率、供电方式和接地方式。

为使有用信号不失真、不失精度地有效传递，要设计好耦合方式。

同时也要考虑必要的屏蔽、去耦、保护、滤波 ……抗干扰措施。

（3）建立系统的动态数学模型经过系统的稳态设计，系统主回路各部分均已确定。

但稳态设计依据的主要是系统的稳态性能指标，因此所构成的系统还不能保证满足系统动态性能的要求，为系统的动态设计做准备，需要对稳态设计所确定的系统所定量计算（或辅助实验测试），建立它的动态数学模型，称之为原始系统的数学模型。

（4）系统的动态设计根据被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学模型，进行动态设计，要确定采用什么校正形式，确定校正装置具体电路和参数，确定校正装置在原始系统中具体连接的部位和连接方式。

使校正后的系统能满足动态性能指标要求。

（5 ）系统的仿真试验根据校正后系统的数学模型进行仿真，以检验各种工作状态下系统的性能，以便发现问题，及时予以调整。

以上设计内容和步骤只是拿出一个定量的设计方案，工程设计计算总是近似的，只作为工程实施的一个依据，在具体实施时，要经过系统调试实验，方能将系统的有关参数确定下来，特别是校正装置的参数，往往要通过系统的反复调试才能确定。

因此，上面所介绍的设计方法都不是万能的，它们只是便于工程设计定量，使设计者心里有数，为工程实施少走弯路、减少盲目性。

6.2伺服控制系统中常用电力电子器件6.2.1晶闸管晶闸管又称可控硅，其控制电流可从数安培到数千安培。

主要有单向晶闸管SCR、双向晶闸管TRIAC和可关断晶闸管GTO等三种最基本类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等特殊类型。

（1）单向晶闸管 SCR图6.3示出了单向晶闸管SCR的基本结构及表示符号。

SCR由三个极组成，分别称为阳极A，阴极K及控制极G（又称门极）。

它有截止和导通两种稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。

图6.3单向晶闸管内部结构导通条件是指晶闸管从阴断到导通所需的条件。

这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。

关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需的条件。

晶闸管一旦导通，控制极对晶闸客就不起控制作用了。

只有当流过闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。

由上述可知，当在晶闸管的阳极加上交流电压时，在电压的正半周，若给控制极加一个正触发脉冲，则晶闸管导通，而电压过零时，晶闸管将关断；在下一具正半周，若想使晶闸管导通，必须重新给控制极加触发脉冲。