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1、第6章 位置随动系统,本章教学要求与目标 掌握位置随动系统的特点、要求和组成 熟悉位置随动系统的控制方法 了解位置随动系统的数学模型和校正设计,6.1 位置随动系统概述,伺服（Servo）的意思是“伺候”和“服从”，广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也称为随动系统，它的主要目标是实现精确、快速的轨迹跟踪，在现代工业中不可缺少。典型的应用领域如数控机床、机器人、雷达跟踪、绘图仪等。 狭义的伺服系统又称为位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速准确地复现给定量的变化。,伺服系统的基本
2、要求是：,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。 2）精度高。伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，就需要很高的定位精度。 3）动态响应快。伺服系统要求对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。 4）抗干扰能力强。在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。,6.1.1 位置随动系统的组成,位置随动系统可以是开环控制系统，如步进电机控制系统。 在跟随精度要求较高而且驱动力矩又较大的场合，多采用闭环控制系统，驱动电动机采用直流伺服电动机、两相感应交流伺服
3、电动机或三相永磁同步伺服电动机等。 位置随动系统闭环结构一般采用三重闭环的形式，即位置环、速度环和电流环。从运动控制的基本规律来理解，这样的三闭环结构是最合理的。 数控机床伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两个组成部分。数控机床一般需要多轴联动，可以采用运动控制卡在上位机控制下协调工作。每根轴的运动控制系统可分为半闭环位置伺服系统、全闭环位置伺服系统两种基本结构。这两类结构的根本区别在于位置检测元件不同、位置检测元件的安装位置也不同。,半闭环位置伺服系统,半闭环结构的位置伺服系统以伺服电动机轴的转角位移为被控量，采用旋转编码器（也可以用旋转变压器）作为位置检测元件。图中电流反馈部分没有画出
4、。半闭环结构是当前应用最为广泛的结构，由于它的电气自动控制部分与机械部分相对独立，可以对驱动器进行通用化设计。,图6-1 半闭环位置伺服系统结构示意图,全闭环位置伺服系统,全闭环结构的位置伺服系统以工作台的平动位移为被控量，采用光栅尺（也可用感应同步器）作为位置检测元件。全闭环结构在一些大型机械设备和超精密机械设备中得到应用。由于全闭环位置伺服系统将机械传动机构也包括到了位置控制回路中，就使得机械传动结构的误差也可以通过闭环控制得到减小，但同时也增大了位置闭环整定的难度。,图6-2 全闭环位置伺服系统结构示意图,5.1.2 位置随动系统的特点,位置随动系统与调速系统相比较，有下面一些特点： 1
5、）输出量（被控量）为位移，而不是转速。 2）输入量是不断变化的（而不是恒定量），系统主要要求输出量能按一定精度跟随输入量的变化，以跟随性能为主。而调速系统主要要求输出量保持恒定，能抑制负载扰动对转速的影响，以抗扰性能为主。 3）功率放大器及控制系统都必须是可逆的，使伺服电动机可以正、反两个方向转动，并消除正或负的位置偏差。而调速系统可以有不可逆系统。 4）位置随动系统的外环为位置环，而速度环、电流环为内环。,5.1.3 位置随动系统的基本性能指标,位置随动系统的性能指标，可以分为动态和稳态两个方面。其动态性能基本上是由内环来保证的，而稳态精度则主要靠外环来实现。 对位置随动系统总的要求是稳定性
6、好、精度高、动态响应快、抗扰动能力强。对于内环的要求是希望有足够的调速范围、快且平稳的起制动性能、转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度等干扰因素的影响。而对外环的要求是有足够的位置控制精度（定位精度）、位置跟踪精度（位置跟踪误差）、足够快的跟踪速度、位置保持能力（伺服刚度）等。 作为位置随动系统的速度内环，相对于一般的调速系统而言，性能要求严格得多。如数控加工中，有时候速度变化很快（如尖角过渡），速度内环必须要有足够的带宽才能跟踪这样的快速变化。,位置随动系统性能指标,1）稳态位置跟随误差 当位置随动系统对输入指令信号的瞬态响应过程结束后，在稳定运行时，位置的指令值与实际值之间的误差被
7、定义为系统的稳态位置跟随误差。 2）定位精度与速度控制范围 定位精度是评价位置随动系统控制准确度的性能指标。系统最终定位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。 位置伺服系统，应当能对位置输入指令输入的最小设定单位（1脉冲当量），作出相应的响应。为了实现这一目标，一是要采用分辨率足够高的位置检测器，二是要求系统的速度单元具有足够宽的调速范围，也就是说速度单元要有较好的低速运行性能。 图6-3为速度控制单元的输入输出特性,死区越小，说明速度控制单元的低速性能越好。 系统在静止状态收到相当于1个脉冲的输入指令时，为使位置伺服机构移动，指令必须大于 。调速范围D应当达到 （6-1）,图6-3
8、 速度控制单元输入输出特性,（3）最大快移速度 最大快移速度即为系统速度控制单元所能提供的最高速度Vmax，最大快移速度也是决定系统定位精度的一个重要参数。系统最小分辨率为 （6-2） （4）伺服刚度 伺服刚度表达的是伺服系统抵抗负载外力，在原来的位置保持静止的能力。设伺服电动机的转子轴原来静止，后来在外加的转矩Tw的作用下发生了角位移，那么伺服刚度定义为 （6-3） 伺服刚度取决于位置环的增益，也取决于速度控制单元的低速力矩性能。,6.2 闭环位置伺服系统及其控制原理,闭环位置伺服系统组成： 执行元件 反馈检测单元 比较控制环节 驱动电路 机械传动机构,6.2.1 闭环伺服系统的执行电动机,
9、1. 直流伺服电动机 直流电动机容易进行调速，因而数控伺服系统中早有使用。但由于数控机床的特殊要求，一般的直流电动机不能满足要求，常用的是小惯量直流伺服电动机和宽调速直流伺服电动机。 小惯量直流伺服电动机有下述特点： 1）转子细长,转动惯量约为一般直流电动机的十分之一； 2）气隙尺寸比一般直流电动机大10倍以上，,电枢反应小,具有良好的换向性能,机电时间常数只有几个毫秒； 3）转子无槽,电枢绕组用粘合剂直接贴在转子表面上，大大减低低速时的转矩脉动和不稳定性，在转速达到10r/min时无爬行现象； 4）过载能力强，最大转矩可达额定转矩的10倍。,宽调速直流伺服电动机有下述特点： 1）在维持一般直
10、流电动机较大转动惯量的前提下，以尽量提高转矩的方法改善动态性能，低速时输出较大转矩，可以不经减速齿轮直接驱动丝杠； 2）调速范围宽。采用优化设计减小电动机转矩的脉动，提高低转速的精度，从而大大扩大了调速范围，往往电动机内已经装有测速装置（测速发电机、旋转变压器和光电码盘等）及制动装置； 3）动态响应好。采用永磁结构和矫顽力很高的永磁材料，在电动机过载10倍的情况下也不会被去磁，大大提高了电动机的瞬时加速度； 4）过载能力强。采用高等级绝缘材料，允许在密闭的空冷条件下长时间超负荷运行。,2. 交流伺服电动机,在现代伺服系统中，更多的采用交流伺服电动机。交流伺服电动机可以是异步电动机或者永磁同步电
11、动机。 交流异步伺服电动机有下述特点： 1）采用二相结构，电动机定子上布置有空间相差90电角度的二相绕组，一相称励磁绕组，一相称控制绕组，分别施加相位差90的交流电压； 2）励磁绕组电压不变控制绕组电压为零时，旋转磁场变成了静止脉动磁场，电动机立即停止转动，克服了普通异步电动机失电时的“自转”现象，符合机床的要求； 3）转子内阻特别大，使临界转差率（与最大转矩对应的转差率）大于1，低速转矩大； 4）控制绕组电压可以调节，从而使旋转磁场变为椭圆形，以此调节转矩的大小。 永磁同步伺服电动机PMSM。,3. 直线电机,传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给驱动方式在高速运行时，滚珠丝杠的刚度、惯性、加速度
12、等动态性能已远远不能满足要求。这就使得一种崭新的进给驱动方式-直线电动机控制系统应运而生。这种进给驱动系统取消了从动力源到执行件之间的一切中间传动环节，将进给传动链的长度缩短为零，大大简化了机械结构，提高了系统的速度、加速度、刚度等动态特性和控制精度，是机床进给驱动设计理论的一项重大突破。 直线电动机可以认为是旋转电动机在结构上的一次演变，它可以看作将旋转电动机沿径向刨开，然后将电动机沿圆周展成直线。直线电动机的主要类型有：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机等。,6.2.2 数字脉冲比较式伺服系统,数字脉冲比较环节是伺服系统中重要的位置控制单元，如图6-4所示。数字
13、脉冲比较环节由六个主要部分组成。指令信号由数码装置发出，可以是一串数字脉冲，代表一个短时间段内的位移量给定；由测量元件提供的工作台位置信号也可以是一串数字脉冲（用光栅或光电编码器得到）；它们经过脉冲-数码转换（例如计数器对脉冲串计数）变成数码信号；在比较器中完成比较，其差值经过功率放大,然后去驱动执行元件，带动工作台移动，直到给定位移与实际位移相等，完成本时间段内的位移任务，位移量为脉冲当量乘脉冲数。,图6-4 数字脉冲比较环节,假定伺服系统的脉冲当量为0.05mm/脉冲，如果要求机床工作台沿x坐标轴正向进给10mm，数码装置经过插补运算后连续输出200个脉冲给脉冲-数码转换器，于是脉冲数码-
14、转换器根据运动方向作加1计数（反方向则作减1计数），并将计数结果送到比较器与来自工作台的计数结果作比较，不相等则将差值输出，经功率放大指挥执行电动机驱动工作台移动，差值为正则电动机正转，为负则反转，直到误差消除。电动机轴上或工作台上的光栅或光电编码器产生实际运动的一串脉冲，经过相似的处理送到比较器。如果要控制移动的速度，则数码装置可以将200个脉冲分成若干组，相继在不同的时间段各输出一组脉冲，达到控制速度的目的。 实际的实现方法可以多种多样。例如用计算机实现的位置闭环控制系统已得到广泛应用。,6.2.3 数控加工过程,图6-5中的数控装置是数控机床的中枢，由它接收和处理来自信息载体的指令信息，
15、并将其加工处理后指挥伺服系统去执行。这种工作如果用数字逻辑电路去实现，称为普通数控（NC），如果用计算机去实现，称为计算机数控（CNC）。,图6-5 数控机床加工零件的过程,机床的数控系统由信息输入、信息处理和伺服系统3部分组成。 信息处理是数控装置的核心任务，由计算机来完成。它的作用是识别输入信息中每个程序段的加工数据和操作指令，并对其进行换算和插补计算。 现在的数控系统一般都采用国际标准G代码编程，有的还可以支持AI、DXF、PLT、HPG等图形数据格式。 加工程序的编制必须考虑诸多约束条件，主要有加工精度、加工速度和刀具半径等。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一个描述
16、。所以对加工轮廓的控制又称为连续运动轨迹控制。,6.2.4 数控机床的轨迹控制原理及其实现,1. 数控插补概述 以数控机床为例，其控制的目标是被加工的曲线或曲面，在加工过程中要随时根据图纸参数求解刀具的运动轨迹，其计算的实时性有时难以满足加工速度的需求。因此实际工程中采用的方法是预先通过手工或自动编程，将刀具的连续运动轨迹分成若干段，而在执行程序的过程中实时地将这些轨迹段用指定的具有快速算法的直线、圆弧或其它标准曲线予以逼近。 插补是一个实时进行的数据密化过程。轨迹插补与坐标轴位置伺服是数控机床的二个主要环节。 插补必须实时完成，因此除了要保证插补运算的精度外,还要求算法简单。一般采用迭代算法。 就目前普遍应用的算法而言，可以分为两大类：脉冲增量插补，数据采样插补。,2. 脉冲增量插补原理,脉冲增量插补就是分配脉冲的计算，在插补过程中不断向各坐标轴发出相互协调的进给脉冲，控制机床作相应的运动，适用于以步进电动机为驱动装置的开环位置系统。插补的结果是产生单个的行程增量，以一个脉冲的方式分配、输出给某坐标轴步进电动机。一个脉冲所产生的进给轴移动量叫脉冲当量，普通数控机
