马昕教授电力拖动与运动控制课件9--伺服系统

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1、第八章 伺服系统,马 昕,北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心 教育部化工安全工程研究中心 国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室 北京化工大学信息科学与技术学院,主要内容,2018/12/7,第八章 伺服系统,2,伺服系统 伺服系统常用电机 位置控制技术,一、伺服系统,2018/12/7,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，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪,一、伺服

2、系统,2018/12/7,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： 以小功率指令信号去控制大功率负载 在无机械连接情况下，实现远距离同步传动 使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令,一、伺服系统,2018/12/7,第八章 伺服系统,5,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

3、 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,一、伺服系统,2018/12/7,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

4、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：,一、伺服系统,2018/12/7,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：,一、伺服系统,2018/12/7,第八章 伺服系统,8,8. 稳态误差(steady-state error)： 控制器完成校正行

5、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：,一、伺服系统,2018/12/7,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： 开环伺服系统 步进电动机驱动、无位置反馈和校正环节 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,一、伺服系统,2018/12/7,第八章 伺服系统,10,一、伺服系统,2018/12/7,第八章 伺服系统,11,伺服系统基本组

6、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,一、伺服系统,2018/12/7,第八章 伺服系统,12,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：,不同点： 调速系统为了维持输出转速的恒定， 抗扰性能是其主要性能指标

7、伺服系统要求其输出量准确跟踪或复现给定量， 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。,一、伺服系统,2018/12/7,第八章 伺服系统,13,一、伺服系统,2018/12/7,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)

8、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,一、伺服系统,2018/12/7,第八章 伺服系统,15,轮廓控制本质上属于位置伺服控制,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,主要内容,2018/12/7,第八章 伺服系统,16,伺服系统 伺服系统常用电机 步进电动机 伺服电动机 位置控制技术,步进电机,2018/1

9、2/7,第八章 伺服系统,17,步进电动机是一种完成增量运动的电磁机械,特点：接受数字控制信号（电脉冲信号）， 把电脉冲 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,步进电机,2018/12/7,第八章 伺服系统,18,步进电动机最基本的运行方式：开环系统 增量式位置控制系统,步进电机分类： 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,（）磁阻式步进电机,2018/12/7,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

10、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,（）磁阻式步进电机,2018/12/7,第八章 伺服系统,20,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,（）永磁式步进电机,2018/12/7,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

11、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,（）永磁式步进电机,2018/12/7,第八章 伺服系统,22,工作过程： 第1拍：S1、S3闭合， 转子箭头指向1； 第2拍：S2 、S3闭合； 第3拍：S2、 S4闭合； 第4拍：S4、 S1闭合。 每拍转子逆时针旋转900，4拍完成1个循环,永磁式步进电动机工作原理,（）永磁式步进电机,2018/12/7,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,2伺服电动机,2018/12/7,第八章 伺服系统,24,伺服电动机的作用是 将输

12、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 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,（）交流伺服电动机,2018/12/7,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,（）交流伺服电动机,2018/12/7,第八章 伺服系统,26,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

13、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： 在控制电压作用下就能启动， 电压消失后应能立即停转,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。,（）直流伺服电动机,2018/12/7,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 工作原理也和直流电动机一样(Te=CTmIa) 它在性能方面的独到之处是调速范围宽、线性特性好、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）,主要内容,2018/12/7,第八章 伺服系统,28,伺服系

14、统 伺服系统常用电机 位置控制技术,三、位置控制技术,2018/12/7,第八章 伺服系统,29,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,步进电动机相关控制技术,2018/12/7,第八章 伺服系统,30,步进电机与交直流电机 的不同之处在于： 仅仅接上供电电源 它是不会运

15、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,步进电动机相关控制技术,2018/12/7,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,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,步进电动机相关控制技术,2018/12/7,第八章 伺服系统,32,脉冲发生器是产生步进

16、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 脉冲发生器可以用微处理器代替 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，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,步进电动机相关控制技术,2018/12/7,第八章 伺服系统,33,驱动电路是功率放大器，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,基于微控制器的步进电动机控制,2018/12/7,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,基于微控制器的步进电动机控制,2018/12/7,第八章 伺服系统,35,（2）并行控制的步进驱动,利用803