第六章 闭环伺 服 系 统,伺服系统定义伺服系统组成伺服系统要求及分类伺服系统控制环路伺服系统性能分析,第六章 闭环伺服系统 （一）概念： 1 伺服系统概念及分类 P195 P196 2 全闭环与半闭环 P196 3 伺服系统的控制环路P201 P204 4 复合控制器 P209 5 数字PID控制算法 P215 （二）计算及简单应用： 1 电流环、速度环传递函数 2 位置环的开环传递函数P204 3伺服刚度P205 4伺服系统的闭环传递函数P206 5 输入参考指令的单位阶跃和单位斜坡及系统误差P205,伺服系统,机电一体化技术,定 义,以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（Feed Servo System）,伺服系统,机电一体化技术,伺服系统组成,伺服系统组成,位置检测装置将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进行比较，将两者的差值进行位置调节，变换成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。,伺服系统,机电一体化技术,伺服系统组成,基本工作原理,伺服系统,机电一体化技术,伺服系统要求,1.调速范围要宽且要有良好的稳定性（在调速范围内）调速范围：RN=Fmax/Fmin一般要求： RN 1000，且 0.1 mm/min Fmin 1 mm/min 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。,2. 位置精度高 实际位移与指令位移的差值要小。位置精度一般为0.010.001mm，甚至可高至0.1m。,3.稳定性好 即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰的情况下，输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。,4.动态响应快 即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短，一般要求在200100ms，甚至小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。,伺服系统,机电一体化技术,伺服系统分类,伺服系统是一个位置随动系统，按有无位置检测和反馈有以下三种：,开环伺服系统半闭环伺服系统闭环伺服系统,步进电机,步进驱动装置,控制器,脉冲串,方向脉冲,相电压,伺服系统,机电一体化技术,开环伺服系统,开环伺服系统组成,由控制器送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，驱动步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件，无需位置检测装置。 系统的位置精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。 位置精度较低，其定位精度一般可达0.02mm。如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到0.01mm。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制，在脉冲当量为0.01mm时，一般不超过5m/min。,伺服系统,机电一体化技术,开环伺服系统,开环伺服系统特点,位置控制调节器,速度控制 调节器,信号处理,+,实际位置反馈,实际速度反馈,功率驱动,+,编码器,伺服电机,位置 指令,伺服系统,机电一体化技术,半闭环伺服系统,半闭环伺服系统组成,伺服系统,机电一体化技术,半闭环伺服系统,半闭环伺服系统特点,将检测装置装在伺服电机轴或传动装置末端，间接测量移动部件位移来进行位置反馈的进给系统称为半闭环伺服系统。在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作为一个整体，编码器完成角位移检测和速度检测，用户无需考虑位置检测装置的安装问题。这种形式的半闭环伺服系统在机电一体化设备上得到广泛的采用。,位置 指令,伺服系统,机电一体化技术,闭环伺服系统,闭环伺服系统组成,将检测装置装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来进行位置反馈的进给系统称为闭环伺服系统。闭环伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服系统只能补偿部分误差，因此，半闭环伺服系统的精度比闭环系统的精度要低一些。由于采用了位置检测装置，所以，闭环进给系统的位置精度在其他因素确定之后，主要取决于检测装置的分辨率和精度。 闭环和半闭环伺服系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上较开环进给系统复杂。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定的因素，因此，闭环和半闭环系统的设计和调试都较开环系统困难。,伺服系统,机电一体化技术,闭环伺服系统,闭环伺服系统特征,伺服系统,机电一体化技术,全数字式伺服系统,在全数字式伺服系统中，控制器直接将位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置和速度控制功能。控制器与伺服驱动装置之间通过总线相互传递如下信息：位置指令和实际位置速度指令和实际速度转矩指令和实际转矩伺服系统及伺服电机参数伺服状态和报警,全数字式伺服系统,控制器,第 n 轴伺服单元,第 1 轴伺服单元,SM,PC,总线,总线,SM,PC,伺服系统,机电一体化技术,全数字式伺服系统,全数字式伺服系统组成,伺服系统,机电一体化技术,全数字式伺服系统,全数字式伺服系统特点,1. 系统的位置、速度和电流环节的调整由软件实现。 2. 具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、温度漂移、噪声及抗干扰等方面都优于模拟式伺服系统。 3. 引入前馈控制，构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构。 4. 由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，极大地减小了连接电缆，便于设备安装和维护，提高了系统可靠性，同时通过显示终端实时监控伺服状态。,当前 ，全数字式交流伺服系统在机电一体化设备驱动中得到了广泛应用。全数字式交流伺服可作速度、转矩和位置控制，接受指令脉冲或模拟电压指令信号，并自带位置环，具有丰富的自诊断、报警功能。各控制参数通过以下方法用数字方式设定：,通过驱动装置上的显示器和按键进行设定通过驱动装置上的通信接口与上位机通信进行设定通过可分离式编程器和驱动装置上的接口进行设定,伺服系统,机电一体化技术,全数字式伺服系统,控制器,总线,驱动装置,显示设定窗口,编码器信号线,三相电源进线,伺服电机三相电源,伺服概念： 这是英文servo的谐音，念起来与外文的伺服发音差不多。但伺服这个字就是“侍候”，就是非常听话，让走到哪，就走到哪。在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让哪一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就动，而且这台电动机的运动速度、运动的距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完成指令要求的任务。,伺服系统控制环路,很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非常不容易的。因为电动机拖着一个重量很重的工作台，而且摩擦力随着季节、新旧程度、润滑状态等因素而变化，控制了一个稳定速度，精确定位，可以想象其难度之大。 但是随着科学技术的进步，人们不断从生产实践中总结经验，一步一步找到了好的控制办法，这就是三环结构。,三环结构如图4-1所示。,这三个环就是位置环、速度环、电流环。 1、位置环也称为外环，其输人信号是计算机给出的指令和位置检侧器反馈的位置信号。这个反馈是负反馈，也就是说与指令信号相位相反。 指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是送去减数。 位置环的输出就是速度环的输人。,2、速度环也称为中环，这个环是一个非常重要的环，它的输人信号有两个： 一个是位置环的输出，做为速度环的指令信号送给速度环；另一个由电动机带动的测速发电机经反馈网络处理后的信息，做为负反馈送给速度环。速度环的两个输人信号也是反相的。一个是加，一个是减。 速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。,3、电流环也叫做内环，电流环也有两个输人信号，一个是速度环抽出的指令信号；另一个 经电流互感器，并经处理后得到的电流信号，它代表电动机电枢回路的电流，它送人电流环 也是负反馈。 电流环的输出是一个电压模拟信号，用它来控制PWM电路，产生相应的占空比信号去触发功率变换单元电路，,使电动机获得一个与计算机指令相关的，并与电动机位置、速度、电流相关的运行状态。这个运行状态满足计算机指令的要求。这三个环都是调节器，其中有时采用比例调节器，有时采用比例积分调节器，有时还要用比例积分微分调节器 关于位置反馈网络、速度反馈网络、电流反馈网络到底是什么样子可以这么说，有时是非常简单的一个电位器，或者是一个滤波电路，但有时确实是一个复杂的逻辑关系。在这里不做详细的叙述。,(1)前向通路传递函数-假设N(s)=0 打开反馈后，输出C(s)与R(s)之比。等价于C(s)与误差E(s)之比,(2)反馈回路传递函数 假设N(s)=0主反馈信号B(s)与输出信号C(s)之比。,伺服系统性能分析,(3)开环传递函数 Open-loop Transfer Function 假设N(s)=0 主反馈信号B(s)与误差信号E(s)之比。,(4)闭环传递函数 Closed-loop Transfer Function 假设N(s)=0输出信号C(s)与输入信号R(s)之比。,推导：因为,右边移过来整理得,即,请记住,*,(5)误差传递函数 假设N(s)=0误差信号E(s)与输入信号R(s)之比 。,代入上式，消去G(s)即得：,将,图2-18 输出对扰动的结构图,利用公式*，直接可得：,(6)输出对扰动的传递函数 假设R(s)=0,*,（7）误差对扰动的传递函数 假设R(s)=0,图2-19 误差对扰动的结构图,利用公式*，直接可得：,*,线性系统满足叠加原理，当控制输入R(s)与扰动N(s)同时作用于系统时，系统的输出及误差可表示为：,注意：由于N(s)极性的随机性，因而在求E(s)时，不能认为利用N(s)产生的误差可抵消R(s)产生的误差。,