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1、第第3篇篇 伺服系统伺服系统在生产实践中，伺服系统的应用领域非常广泛，例如：轧钢机轧辊压下量的自动控制，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮和雷达的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机电一体化技术的发展，伺服系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是运动控制系统的一个重要分支。 伺服（伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”，广义的伺服系统是指精确地跟踪或复现某个过程的反馈控制系统，也可称作随动系统。而狹义伺服系统的被控制量（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而准确
2、地复现给定量的变化，又称作位置随动系统。 第第7章章 伺服系统伺服系统伺服系统的特征及组成伺服系统的特征及组成伺服系统的基本要求及特征伺服系统的基本要求及特征1伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，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：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。(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，要求很高的定位精度。(3)动态响应快动态响应是伺服系统重要
3、的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。(4)抗扰动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，振荡次数小，甚至要求无振荡。1.伺服系统的组成伺服系统的组成伺服系统由伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成，除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。 位置伺服系统结构示意图位置伺服系统结构示意图 1. 伺服电机与功率驱动器伺服电机与功率驱动器伺服电机是伺服系统的执行机构，在小功率伺服系统中多用永磁式伺服电机，如永磁式直流伺服电机、直流无刷伺服电机、永磁式交流伺服电机，也可采用磁阻式伺服电机。在大功率或较大功率的情况下也可采用电励磁的
4、直流或交流伺服电机。2. 伺服系统控制器控制器是伺服系统的关键所在，伺服系统的控制规律体现在控制器上，控制器应根据位置偏差信号，经过必要的控制算法，产生功率驱动器的控制信号。位置传感器位置传感器1.电位器2.基于电磁感应原理的位置传感器3.光电编码器4.磁性编码器光电开关是一种位置检测装置，通常分为发射器和接收器两部分。工作状态下，发射器发出调制光，受到待检测物体的反射或阻断时，会造成接收器入射光强度的变化，从而引起输出电流的变化，经信号处理改变输出开关状态即可达到检测目的。光电开关属于无接触式位置传感器，其输入与输出之间没有电磁联系。相对于接触式测量，光电开关寿命长、抗电磁干扰能力强。按封装
5、方式，光电开关可分为自包含式、光纤式、远距式；按扫描方式，光电开关可分为对射式、漫反射式、镜反射式、槽式、光纤式和远距式光电开关。 光电开关早期主要在工业自动化中用于检测物体是否存在，近年来应用范围扩大到物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、安全防护、安全警戒、远程供电、信息传递等。 （1）光源光电开关最早使用白炽灯作为光源，后采用红外LED。LED为非相干光光源，照射到10m20m处时，光斑直径大到20 cm以上，能量己经非常分散，故现在倾向于采用激光作为光源。 激光是强相干性光源，能量集中，投到500 m外，光斑直径仍然只有1
6、00 mm。 （2）集成度目前，光电开关倾向于采用专用集成电路（ASIC）以提高集成度。采用ASIC的光电开关反应速度快，可达10 kHz，抗冲击、震动能力强，抗干扰能力强，符合EMC标准，并能满足小型化、低成本以及规模化生产等要求。 但光电开关的维护、参数设置仍然需要手动进行，一旦更换，还要重新手动设置、校准。因而光电开关通常安装在易于操作的位置，但却不是最佳位置，且安装空间不能太小，这就制约了机器结构、外形、体积的最优化设计。 物体检测传感器及接口电路物体检测传感器及接口电路光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的光变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信
7、号。控制系统可选用对射式光电传感器、镜面反射型光电传感器等传感器作为通道进入检测传感器。 对射式光电传感器 （1）对射式光电开关传感器的原理 对射光电开关内部原理对射光电开关内部原理发射器发出的光是经过调制的，经过调制的LED发射器发射一定频率的红外光，接收器的放大器只对该频率的信号响应，这样就有效地排除了背景光等干扰因素。 面反射型光电传感器 镜面反射型光电开关（见图2-8）集发光器和收光器于一体。从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，当无障碍物遮断光线时，发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，接收器输出一种状态（如继电器节点闭合）;当有障碍物阻断光线时，接收器输出另一种状态（如继电器节
8、点断开）。 反射式光电开关反射式光电开关位置检测传感器及接口电路运动的限位可以是通过光电接近开关和霍尔开关来控制的，通过它们保证物体移动到位后自动停止。 2.2.1 漫反射光电接近开关传感器（1）漫反射光电接近开关传感器工作原理 霍尔接近开关及接口电路（1）霍尔开关原理及特点霍尔开关集成传感器属于有源磁/电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用先进的集成电路封装技术和组装工艺制作而成一种磁敏传感器，它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，以开关信号形式输出。霍尔开关集成传感器具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。 霍尔开关
9、电路由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器、开关输出级等5部分组成。霍尔霍尔效应效应 当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH ，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。 位移传感器及功率放大器光电位移传感器（1）位移传感器的定义位移传感器是一种测量传感器，它利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移。根据使用元件不同，分为光学式位移传感器、线性接近传感器、超声波位移传感器等。 图图2-15 光电位移传感器原理光电位移传感器原理作为传感器的受光元件，使用2比例光电二极管或位置检
10、测元件。通过检测物体反射的投光光束将在受光元件上成像。这一成像位置以根据检测物体距离不同而差异的三角测距原理为检测原理。 （2）位移传感器原理与分类光学式位移传感器位置传感检测器PSD方式 光源发出的光通过透镜进行聚光，并照射到物体上。物体发出的反射光通过受光透镜集中到一维的位置检测元件（PSD）上。如果物体的位置（距离测定器的距离）发生变化，PSD上成像位置将不同；如果PSD的两个输出平衡发生变化，PSD上的成像位置将不同，PSD的两个输出平衡会再次发生变化。如果将这两个输出作为A、B，计算A/（AB），并加工适当的拉线系数k和残留误差C，可求得线性接近传感器超声波位移传感器 光电位移传感器
11、组成光电传感器通常由投光部、受光部、增幅部、控制部、电源部构成，按其构成状态可分为以下几类。（1）放大器分离型 （2）放大器内置型（3）电源内置型（4）光纤型光电位移传感器基本要求光电位移传感器基本要求背景抑制BGS （Background Suppression） 背景抑制是指检测抑制物体背景；前景抑制FGS （Foreground Suppression） 前景抑制是指检测抑制比正常检测距离近的物体。背景与前景抑制原理背景与前景抑制原理一般来说，在检测传输带上物体的情况下，可选择背景抑制BGS和前景抑制FGS两种功能中的任何一个。背景抑制BGS不会对比设定距离更远的背景（传输带）进行检测。
12、前景抑制FGS不会对比设定距离更近的物体（或回到受光器光量少于规定的物体）进行检测传感器有如下特点可对微小的段差进行检测（BGS、FGS）。不易受检测物体的颜色影响（BGS、FGS）。 不易受背景物体的影响（BGS）。 选用的光电位移传感器选用的光电位移传感器位移传感器有多个参数可供实际应用需要进行选择，相应参数描述如下：（1）分辨率（2）直线性（线性） （3）温度特性 （4）响应时间 激光激光位移传感器位移传感器公路路面平整度测量公路路面平整度测量光电编码器的工作原理光电编码器的工作原理光电编码器的分类1绝对式光电编码器光电编码器光电编码器安装图安装图 2增量式光电编码器增量编码器的码盘是由
13、明暗相间的条纹所构成，如下图2-19所示。一般来讲同样分辨精度的增量编码器要比绝对编码器便宜得多。 增量式光电编码器主要用于测量速度增量编码器能根据轴的旋转位移量，输出脉冲列增量编码器能根据轴的旋转位移量，输出脉冲列 电荷耦合器件CCD与激光测控系统 激光光纤通信激光光纤通信光纤总线控制网络光纤总线控制网络系统测量方案 激光扫描检测系统是集激光技术、光学技术、计算机技术、精密机械技术、电子技术于一体光机电系统。由激光器，棱镜，反射镜-透镜，光电接收器，信号处理电路，单片机，键盘，数码显示组成。 光电接收器的信号输出光电接收器的信号输出把LX2-V系列透过式传感头放在电阻的上下方以检测电阻的位置
14、。根据激光光束中断区域的变化来检测双馈电阻或位置不正确的电阻。 测量活塞直径 LS系列能够测量活塞的外径并精确到次微米的程度。可将两件套扫描头安装在任一生产线上。7.2伺服系统的跟随性能伺服系统的跟随性能1. 检测误差2 系统误差 7.3伺服系统控制对象的数学模型伺服系统控制对象的数学模型根据伺服电机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类，以下分析两种伺服系统控制对象的数学模型，伺服系统控制对象包括伺服电机、驱动装置和机械传动机构。7.3.1 直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统控制对象的数学模型 直流伺服电机的数学模型与调速电机无本质的区别，假定气隙磁通恒定，则直流伺服电机的状态方程为
15、E感应电动势，感应电动势，Te电磁转矩，机械传动电磁转矩，机械传动机构的状态方程为机构的状态方程为直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图 7.3.2 交流伺服系统交流伺服系统 控制对象的数学模型控制对象的数学模型用交流伺服电机作为伺服系统的执行电机，称作交流伺服系统。常用的交流伺服电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。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，现以三相异步伺服电机为例分析之。异步电动机按转子磁链定向的数学模型异步电动机按转子磁链定向的数学模型为为采用转子磁链闭环控制,且转子磁链已达到
16、稳态,则转子磁链等于常数，并设电机极对数=1，则采用电流闭环控制后，并考虑转角与转速的关系，对象的数学模型为7.4伺服系统的设计伺服系统的设计1.单环位置伺服系统单环位置伺服系统APR位置调节器位置调节器 UPE驱动装置驱动装置SM直流伺服电机直流伺服电机 BQ位置传感器位置传感器 忽略负载转矩，图7-5的直流伺服系统控制对象结构可简化为图7-8，简化的直流伺服系统控制对象传递函数为选用PD调节器，其传递函数为 （7-14）单位置环控制直流伺服系统结构图单位置环控制直流伺服系统结构图 简化后系统的开环传递函数简化后系统的开环传递函数 （7-16）系统开环传递函数伯德图见图系统开环传递函数伯德图
17、见图 用Routh稳定判据，可求得 系统稳定， 2.双环伺服系统双环伺服系统电流闭环控制具有抑制起、制动电流，加速电流的响应过程。对于交流伺服电机，电流闭环还具有改造对象，实现励磁分量和转矩分量的解耦，得到等效的直流电机模型。因此，可以在电流闭环控制的基础上，直接设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器的限幅是电流的最大值，图7-11为双环位置伺服系统结构图，图中以直流伺服系统为例，对交流伺服系统也适用，对伺服电机和驱动装置应作相应的改动。 双环位置伺服系统双环位置伺服系统 图7-11 双环位置伺服系统忽略负载转矩，图7-6带有电流闭环控制对象的传递函数为APR选用PI调节器，其传递函数为
18、 双环位置伺服系统结构图双环位置伺服系统结构图 系统的开环传递函数为系统的特征方程式 若将APR改用PID调节器，其传递函数为开环传递函数为 图图7-13为采用为采用PID控制的双环控制伺服系统控制的双环控制伺服系统 开环传递函数伯德图开环传递函数伯德图 低频段，系统有足够的稳态精度，中频段，保证了系统的稳定性，为了使系统具有一定的稳定裕度，应保证中频段宽度h，高频段，系统具有一定的抗干扰能力。 若APR仍采用PI调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，在动态性能上略有差异，但不影响系统的稳定 3.三环伺服系统三环伺服系统在调速系统的基础上，再设一个位置控制环，便形成三环控制的位置伺服
19、系统，如图7-15所示。其中位置调节器APR就是位置环的校正装置，其输出限幅值决定着电机的最高转速。图7-15 三环位置伺服系统 直流转速闭环控制系统按典型II型系统设计，图7-16为转速环结构图，开环传递函数为图7-16 转速环结构图与第2章不同之处是转速用角速度表示，传递函数中参数的物理意义相同，但参数值略有不同。对于交流伺服电机，假定磁链恒定，则矢量控制系统简化结构如图7-17所示，其中转速调节器ASR采用PI调节器， ， 图7-17 矢量控制系统结构示意图开环传递函数为 与式（7-33）的结构完全相同。因此，以下的设计方法对直流和交流伺服系统都适用 由式（7-33）导出转速闭环传递函数
20、 再加上转角与转速的传递函数，构成位置环的控制对象，见图7-18。位置环的控制对象结构图 位置闭环控制结构图 位置环控制对象的传递函数位置闭环控制结构图如图7-19所示，其中，APR是位置调节器。开环传递函数其中，位置调节器的传递函数为图7-19 位置闭环控制结构图 由于控制对象在前向通道上有一个积分环节，当输入为阶跃信号时，APR选用P调节器就可实现稳态无静差，则系统的开环传递函数可改写为其中， 是调节器的比例系数， 是系统的开环放大系数。伺服系统的闭环传递函数为系统的特征方程式用Routh稳定判据，可求得系统的稳定条件，h为中频段宽度，则式（7-41）可改写为当输入为速度信号时，APR选用
21、PI调节器才能可实现稳态无静差，控制系统结构更加复杂。 多环控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环的调节器。逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而保证了整个控制系统的稳定性。当电流环和转速环内的对象参数变化或受到扰动时，电流反馈和转速反馈能够起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。 同时，每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。但这样逐环设计的多环控制系统也有明显的不足，即对最外环控制作用的响应不会很快，因为，转矩的调节需经过三个调节器。 7.4.4 复合控制的伺服系统复合控制的伺服系统无论是多环还是单环伺服系统，都是通过位置调节器APR来实现反馈控制的。这时
22、，给定信号的变化要经过APR才能起作用，在设计APR时，为了保证整个系统的稳定性，不可能过分照顾快速跟随作用。如果要进一步加强跟随性能，可以从给定信号直接引出开环的前馈控制，和闭环的反馈控制一起，构成复合控制系统，其结构原理如图7-20所示。 反馈控制器反馈控制器 控制对象控制对象 前馈补偿器前馈补偿器图7-20 复合控制位置伺服系统的结构原理图 利用结构图变换可以求出复合控制伺服系统的闭环传递函数如果前馈补偿器的传递函数选为代入式（7-43），得到这就是说，理想的复合控制随动系统的输出量能够完全复现给定输入量，其稳态和动态的给定误差都为零。这叫做，系统对给定输入实现了“完全不变性”，式（7-
23、44）就是对给定输入完全不变的条件。 实际上，要准确实现完全不变性是很困难的。在一般情况下，位置伺服系统控制对象 ，中至少含有一个积分环节 ， 的阶次高于 ，那么，按照式（7-44），前馈补偿器的传递函数应为由此可知，要实现完全不变性，需要引入输入信号的各阶导数作为前馈控制信号。实际上，理想的高阶微分很难实现，即使实现了，也会同时引入高频干扰信号，破坏系统的工作，不得不再加上滤波环节。因此，只能近似地实现完全不变性，即使如此，对提高系统的跟随精度和快速性总是有好处的。还应指出，对于图7-20所示系统，如果不加前馈补偿器，其闭环传递函数是比较式（7-43）和式（7-47）可以发现，它们的分母完全相同，也就是说，系统具有相同的闭环极点，因此，增加前馈补偿不会影响原系统的稳定性。谢 谢!
