《伺服电动机运动系统的位置闭环控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《伺服电动机运动系统的位置闭环控制（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、伺服电动机运动系统的位置闭环控制GeorgeEllis2010-01-13 15:20 伺服电动机运动系统的位置闭环控制 采用伺服电动机的闭环伺服系统主要由执行元件（如交直流伺服电动机、液压马达等）、反馈检测单元、比较环节、驱动线路和机械运动机构五部分组成。其中，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动线路控制执行元件带动机械位移，直到跟随误差为零。根据比较环节组成的闭环位置控制方式不同，伺服系统也有多种形式。 随着微处理器及控制技术的介入和完善，由硬件组成的比较环节将由软件实现的位置控制环取代，即由模拟式向数字化方向过渡，以适应更高速度与精度的需
2、要，而且，系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型和动态补偿均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒，采用前馈与反馈结合的复合控制可以实现高精度和高速度，近年来又出现了学习控制这一种智能型的伺服控制，在周期性的高速度、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差，数字化的软件伺服是当今的发展趋势。下面将介绍几种典型的闭环伺服系统结构。鉴相式伺服系统 鉴相式伺服系统是运动控制中早期使用较多的一种闭环伺服系统，它具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。但由于增加了位置检测、反馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试
3、也比较困难。下面讲述鉴相式伺服系统的工作原理。 图13. 16是鉴相式伺服系统框图，它主要由六部分组成，即基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件。 基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供相位比较的基准。 脉冲调相器又称为数字相位转换器，它的作用是将来自主机的进给脉冲信号转换为相位变化信号，该相位变化信号可用正弦波或方波表示。若主机没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。若有进给脉冲到来，则每输入一个正向或反向进给脉冲，脉冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应的相位角。 检
4、测元件及信号处理线路的作用是将工作台的位移量检测出来，并表达成与基准信号之间的相位差。例如，当检测元件是旋转变压器时，若以基准信号作为定子绕组的励磁信号，以鉴相方式工作的旋转变压器的输出正是与基准信号成一相位差的正弦信号，此相位差的大小代表了机械的位移量。鉴相器的输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令进给信号；另一路是来自检测元件及信号处理线路的反馈信号，它代表了机械的实际位移量。这两路信号都是用它们与基准信号之间的相位差来表示的，且同频率、同周期。当机械实际移动的距离小于进给脉冲要求的距离时，这两个信号之间便存在着相位差，这个相位差的大小就代表了机械实际移动距离与进给脉冲要求的距离之差，
5、鉴相器正是鉴别这个误差的电路，它的输出是与此相位差成正比的电压信号。 鉴相式伺服系统的工作原理是：当主机要求工作台沿一个方向进给时，插补软件便产生一列进给脉冲。该进给脉冲作为指令脉冲，其数量、频率和方向分别代表了工作台的指令进给量、进给速度和进给方向，然后被送入伺服系统，经脉冲调相器转变为相对于基准信号的相位变化信号。假设伺服系统的脉冲当量为0.05mm/脉冲，如要求机床工作台沿z坐标轴正向进给10mm，即经插补运算后连续输出200个x轴正向进给脉冲，当输出一个正向进给脉冲后经脉冲调相器转变为超前于基准信号一个相位角P的指令信号，该指令信号送入鉴相器。在工作台进给前，因工作台没有位移，故反馈信
6、号与基准信号同相位，其相位差=0。反馈信号也送入鉴相器，在鉴相器中指令信号和反馈信号相比较，求出两者之间的相位差-。该差值称跟随误差，经放大后送入驱动系统，驱动电机转动使工作台移动。工作台正向移动后，检测元件检测出工作台位移量经信号处理产生反馈脉冲。该反馈脉冲经脉冲调相器产生超前于基准信号一个相位角的反馈信号，反馈信号再次进入鉴相器与指令脉冲相比较，若=，说明工作台实际移动量等于指令信号要求它的位移量。若，则说明工作台实际移动量不等于指令信号要求它的位移量。鉴相器将妒和0的差值经放大送入驱动系统，继续驱动电机转动。指令脉冲是按进给量连续输出脉冲，而反馈脉冲跟随输出。要求进给速度快时进给脉冲频率
7、高，与反馈信号比较跟随误差大，送驱动单元的电压高，使电机转速提高，于是工作台移动加快。反之，进给脉冲频率低，跟随误差值小，电机转动速度减慢。所以只要有脉冲输入，立即产生跟随误差，使工作台移动。当200个x向进给脉冲送完，也产生了200个反馈脉冲，跟随停止，工作台便停止进给。 从鉴相式伺服系统的方框图可以看出，选用不同的检测元件，因其工作原理和输出信号形式的不同，造成了检测元件的控制及其输出信号处理方法的不同。如旋转变压器的输出是正弦信号，而光栅的输出信号经处理后一般为方波信号；旋转变压器需要一组基准激磁电压信号，而光栅不需要任何激磁信号，只是在信息处理时，需要一个基准脉冲信号。此外，考虑到系统
8、的整体结构和简化鉴相器结构，当检测元件的输出是方波信号时，脉冲调相器的输出也设计成方波形式，两方波信号在鉴相器中比较；若检测元件输出是正弦信号，则要将该正弦信号转换成方波信号或将脉冲调相器输出的方波信号整形成正弦信号，以保证相同形式的信号在鉴相器中比较。所以，选用的检测元件不同，鉴相式伺服系统的构成也不同。另外，不同的执行元件也将使系统的构成有所不同。 以上仅讨论了一个坐标方向进给时的鉴相伺服系统工作原理，对于其他轴向也类似。鉴幅式伺服系统 如图13.17所示，鉴幅式伺服系统由测量元件及信号处理线路、数/模转换器、比较器、驱动环节和执行元件五部分组成。它与鉴相式伺服系统的主要区别有两点：一是它
9、的测量元件是以鉴幅工作方式进行工作的，可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器；二是比较器所比较的是数字脉冲量（而不是相位信号），所以不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较。 测量元件及信号处理线路是将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量。由第11章对传感器工作原理的介绍可知，传感器处于鉴幅工作状态时，输出电压u0=Usin（-）sint，即通过测量u0的幅值便可确定位移量。换句话说，u0的幅值Usin(-)代表着工作台的位移。此正弦信号经滤波、放大、检波、整流以后，才变成方向与工作台移动方向相对应，幅值与工作台位移成正比的直流电压信号，这个过程称为
10、解调，解调后的信号经电压频率转换器变成计数脉冲，脉冲的个数与电压幅值成正比，并用符号触发器表示方向。 进入比较器的信号有两路，一路来自主机插补软件的进给脉冲，它代表了主机要求机械装置移动的位移量；另一路来自测量元件及信号处理线路，也是以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。 数模转换电路的作用是将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，该信号经驱动线路进行电压和功率放大，驱动执行元件带动工作台移动。 鉴幅系统工作前，主机和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，这时，执行元件不能带动工作台移动。出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动。同时，
11、以鉴幅方式工作的测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，并将此信号作为反馈信号送入比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器的输出为零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。数字比较式伺服系统 如图13. 18所示，一个数字比较系统最多可由六个主要环节组成。它们是： (1)由主机提供的指令信号，它可以是数码信号，也可以是脉冲数字信号。 (2)由测量元件提供的机械实际位置信号，它可以是
12、数码信号，也可以是脉冲数字信号。 (3)完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。 (4)脉冲数字信号与数码的相互转换部件，它依据比较器的功能以及指令信号和反馈信号的性质而决定取舍。 (5)驱动及执行部件，它根据比较器的输出带动机械位移。 在数字比较系统中，常用的位置测量反馈元件为光电式增量或绝对编码器，可提供数字脉冲序列或数码信号。虽然在此类系统中也可以采用能产生模拟反馈信号的测量元件，如旋转变压器、感应同步器等，但要通过模数(A/D)转换，将模拟量变为数字量以后才能提供给系统，这样会增加系统的复杂程度，故在典型的数字比较系统中不如前者普及。 由于传感器的输出可为脉冲序列和数码两种形式，则常用
13、的数字比较器为这两种形式的三类组合：数码比较器、数字脉冲比较器、数码与数字脉冲比较器。由于指令和反馈信号不一定能适合比较的需要，因此，在指令和比较器之间以及反馈和比较器之间有时需增加“脉冲数字一数码转换”的线路。 比较器的输出反映了指令信号和反馈信号的差值，以及差值的方向。将这一输出信号放大后，用于控制执行部件。 图13. 18中的数字比较系统的工作原理可简述如下： 当主机发出指令信号，要求机械装置沿某一方向进给时，该指令信号经脉冲数字一数码转换，进入比较器。开始时，装置还没有动，测量元件输出的反馈信号为零，表示装置没有移动。该反馈信号经脉冲数字与数码转换，也进入比较器。在比较器中，由于两信号
14、之差不为零，指令信号大于反馈信号，比较器将两者之差输出，并经滤波、放大，驱动执行元件带动装置移动。装置的移动使反馈信号不为零，逐步接近指令信号，直到两者相等，比较器输出为零时止。比较器输出为零时，执行元件停止拖动装置移动，这时，装置实际移动的距离就是指令信号要求它移动的距离。 用计算机实现的伺服电动机位置闭环控制 用计算机实现伺服电动机的位置闭环控制的原理就是利用计算机的软件计算功能，将来自测量元件的反馈信号在计算机中与插补软件产生的指令信号作比较，其差值经数/模转换后送入速度单元，然后经执行元件变为机械位移。因此计算机伺服系统可分成软件部分和硬件部分，软件部分主要完成跟踪误差的计算，即指令信
15、号和反馈信号的比较计算，硬件部分主要由位置检测和位置输出部分组成。一般用计算机实现的位置闭环控制的系统框图如图13.19所示。 (1)软件部分的设计 一般计算机系统的伺服控制是采用实时中断来实现的，在每一中断周期结束之前，插补软件算出下一周期坐标轴的位置增量，在每一中断周期开始时，位置控制程序对坐标轴的实际位置进行采样，将采样值与插补软件产生的增量命令比较，算出跟随误差，该跟随值经计算机接口送到位置控制输出组件，由位置控制输出组件拖动机械移动，从而实现伺服控制。假设系统的中断周期（或称采样周期）为T=1Oms，在整个10ms中断周期中，计算机输出的指令信号维持不变。 闭环系统伺服控制软件的工作主要包括跟随误差的计算，进给速度指令的计算和进给速度的监控。 跟随误差的计算 从理论上讲，跟随误差为指令信号要求机械装置移动的位置（简称指令位置）和其实际移动的位置之差，即 跟随误差=指令位置一实际位置 为了计算和控制的方便，在实际运行中跟随误差是按采样周期的增量方式进行计算的。 设： Ei第i次迭代中所计算的跟随误差； Ei-1第i-l次迭代中所计算的跟随误差； Dfi第i-l次运动中的实际位置增量； D
