马昕教授电力拖动与运动控制课件9-伺服系统.ppt

1、第八章第八章 伺服系统伺服系统CSSSE主要内容主要内容2023-1-24第八章 伺服系统2伺服系统常用电机位置控制技术CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24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CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24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：1.以小功率指令信号去控制

2、大功率负载2.在无机械连接情况下，实现远距离同步传动3.使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统51.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：伺服系统中的基本概念：任何空间运动都可分解为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坐标系统坐标系统zxyCBACSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统62.最

3、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 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：伺服系统中的基本概念：CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统75.跟踪误差(following

4、 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：伺服系统中的基本概念：CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统88.稳态误差(steady-state error)：控制器完成校正行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(mot

5、ion 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：伺服系统中的基本概念：CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24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：p 开环伺服系统步进电动机驱动、无位置反馈和校正环节p 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CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统10位置检测器电压比较放大器可逆功率放大器SMsU*UU*mm1RP2RP0R0R1R1R2R1A2ActUn减速器手轮电位器式伺服系统原理图负载CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-

6、1-24第八章 伺服系统11伺服系统基本组成：（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CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统12v 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：v 不同点：调速系统为了

7、维持输出转速的恒定，是其主要性能指标 伺服系统要求其输出量准确跟踪或复现给定量，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。CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统13典型伺服系统原理框图可逆功率放大器SM*mmctUn减速器位置给定位置调节器速度控制器负载位置检测CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24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

8、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)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CSSSE 一、伺服系统一、伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统15轮廓控制本质上属于位置伺服控制控制目标(曲线)控制器加工程序刀具加工精度、加工速度、刀具半径加工程序本质上就是对刀

9、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始点终点CSSSE主要内容主要内容2023-1-24第八章 伺服系统16伺服系统位置控制技术CSSSE步进电机步进电机2023-1-24第八章 伺服系统17步进电动机是一种完成的电磁机械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CSSSE步进电机步进电机2023-1-24第八章 伺服系统18步进电动机最基本的开环系统 增量式位置控制系统步进电机 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 CSSSE（）磁阻式步进电机（）磁阻式步进电机2023-1-24第八章 伺

10、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CSSSE（）磁阻式步进电机（）磁阻式步进电机2023-1-24第八章 伺服系统20.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CSSSE（）永磁式步进电机（）永磁式步进电机2023-1-24第八章 伺服系统21采用永磁

11、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动机CSSSE（）永磁式步进电机（）永磁式步进电机2023-1-24第八章 伺服系统22工作过程：S1、S3闭合，转子箭头指向1；S2、S3闭合；S2、S4闭合；S4、S1闭合。永磁式步进电动机工作原理永磁式步进电动机工作原理CSSSE（）永磁式步进电机（）永磁式步进电机2023-1-24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永磁式步

12、进电动机工作原理CSSSE2伺服电动机伺服电动机2023-1-24第八章 伺服系统24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CSSSE（）交流伺服电动机（）交流伺服电动机2023-1-24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杯形转子伺服电动机结构图CSSSE（）交流伺服电动机（）交流伺服电动机2023-1-24第八章 伺服系统26且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，气隙中产生一个旋

13、转磁场并且产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。fkfUkU励磁绕组 与交流励磁电源相连，控制绕组 加控制信号电压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。交流伺服电动机原理图交流伺服电动机原理图MffUkkUCSSSE（）直流伺服电动机（）直流伺服电动机2023-1-24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，一般都是工作原理也和直流电动机一样()它在性能方面的独到之处是适用特殊场合（小功率、输出角位移、经常正反转运行）CSSSE主要内容主要内容2023-1-24第八章 伺服系统28伺服系统伺服系统常用电机CSSSE三、位置

14、控制技术三、位置控制技术2023-1-24第八章 伺服系统29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CSSSE步进电动机相关控制技术步进电动机相关控制技术2023-1-24第八章 伺服系统30步进电动机的控制和驱动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

15、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CSSSE步进电动机相关控制技术步进电动机相关控制技术2023-1-24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 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的控制和驱动CSSSE步进电动机相关控制技术步进电动机相关控制技术2023-1-24第八章 伺服系统32是产生步进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确定，转角正比 于输入的脉冲数

16、，对应于脉冲信号数量 可以用微处理器代替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，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CSSSE步进电动机相关控制技术步进电动机相关控制技术2023-1-24第八章 伺服系统33 驱动电路是，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单极性驱动电路单极性驱动电路双极性驱动方式双极性驱动方式CSSSE基于微控制器的步进电动机控制基于微控制器的步进电动机控制2023-1-24第八章 伺服系统34步进电动机的串行控制步

17、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CSSSE基于微控制器的步进电动机控制基于微控制器的步进电动机控制2023-1-24第八章 伺服系统35（2）并行控制的步进驱动 利用8031的定时中断和软件设计取代硬件设计中的脉冲发生器和环行分配器 电动机转速由定时中断时间常数决定CSSSE基于微控制器的步进电动机控制基于微控制器的步进电动机控制2023-1-24第八章 伺服系统36（3）步进电动机的加减速控制启动：极限启动频率1.要求运行的速度小于系统的极限启动频率，系统可直接启动；2.通常要求的运行速度远大

18、于极限启动频率，若直接启动可能会丢步或无法启动制动：到达终点时突然停发脉冲串，系统会因惯性原因冲过终点在点位控制过程中，运行速度都需要有一个 加速 恒速 减速 低恒速 停止的过程 CSSSE基于微控制器的步进电动机控制基于微控制器的步进电动机控制2023-1-24第八章 伺服系统37加速度恒定加速度逐渐降低用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔，用定时器中断方式控制电动机的速度加减速控制还需下列数据：加减速斜率；升速过程总步数；恒速运行总步数；减速运行总步数（3）步进电动机的加减速控制步进电动机点位控制加减速过程步进电动机点位控制加减速过程CSSSE伺服电动机位

19、置闭环控制伺服电动机位置闭环控制2023-1-24第八章 伺服系统38 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0。根据比较环节的不同，闭环位置伺服系统也有多种形式：鉴相式伺服系统、鉴幅式伺服系统、数字比较式伺服系统发展方向：由硬件组成的比较环节被由软件实现的位置控制环取代伺服电动机的闭环伺服系统的构成：执行元件(交直流伺服电动机、液压马达)、反馈检测单元、比较环节、驱动线路、机械运动机构CSSSE（）鉴相式伺服系统（）鉴相式伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统39基准信号发生器：输出一列具有一定频率的脉冲信号，为

20、伺服系统提供相位比较的基准脉冲调相器(数字相位转换器)：将来自主机的进给脉冲信号转换为相位变化信号检测元件及信号处理线路：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鉴相器：鉴别输入误差信号，输出与该相位 差成正比的电压信号两路输入信号：一路来自脉冲调相器的指令进给信号一路来自检测元件及信号处理线路的反馈信号CSSSE（）鉴相式伺服系统（）鉴相式伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统40 进给脉冲经脉冲调相器后与基准信号之间的相位为工作脉冲经信号处理线路后与基准信号之间的相位为跟随误差：在鉴相器中指令信号和反馈信号相比较，求出跟随误差，经放大后送入驱动系统，驱动电机转动使工作台移

21、动。指令脉冲是按进给量连续输出脉冲，反馈脉冲跟随输出。只要有脉冲输入，立即产生跟随误差，使工作台移动。选用不同的检测元件，对其控制和输出信号处理方法均有所不同。CSSSE（）鉴幅式伺服系统（）鉴幅式伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统41鉴幅式伺服系统与鉴相式伺服系统的主要区别有两点：1.其测量元件是以鉴幅工作方式工作的；2.比较器比较的是数字脉冲量而不是相位信号测量元件及信号处理线路：将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量 传感器输出幅值为正弦信号的反映位移量的电压，此正弦信号经滤波、放大、检波、整流之后，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，此过

22、程称为解调。CSSSE（）鉴幅式伺服系统（）鉴幅式伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统42比较器有两路输入信号：一路来自主机插补软件的进给脉冲，代表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，体现工作台实际移动的距离D/A转换电路：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CSSSE（）数字比较式伺服系统（）数字比较式伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统43指令信号：主机提供，可以是数码信号也可以是脉冲数字信号反馈测量信号：机械实际位移信号比较器：完成指令信号与测量反馈信号比较脉冲数字数码转换：依据比较

23、器功能以及指令信号和反馈信号的性质而决定驱动及执行部件：根据比较器的输出带动机械位移CSSSE（）数字比较式伺服系统（）数字比较式伺服系统2023-1-24第八章 伺服系统44 数字比较系统中常使用的位置测量反馈元件为光电编码器，可提供数字脉冲序列或数码信号常用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 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。CSSSE（）计算机实现的伺服电动机位置闭环控制（）计算机实现的伺服电动机位置闭环控制2023-1-24第八章 伺服系统45中央处理器跟踪误差计数器D/

24、A转换放大器驱动放大器指令紧急停车保护电路测速机电动机光电编码器鉴相倍频反馈计数器处理器反馈信号CSSSE（）计算机实现的伺服电动机位置闭环控制（）计算机实现的伺服电动机位置闭环控制2023-1-24第八章 伺服系统46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原理：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D/A转换后送入速度单元，然后经执行元件变为机械位移。CSSSE本章小结本章小结伺服系统能够使输出的机械位移准确复现输入的位移指

25、令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。位置环是伺服系统的主要结构特征步进电动机可以将电脉冲信号转换为角位移，其步距角和转速不受电压、负载和温度变化等因素的影响，精度很高且其误差不会累积，常用于要求较高的开环自动控制系统中伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，改变其控制电压的大小和极性时，可以相应地改变其转速的大小和旋转的方向位置控制是运动控制系统的基本功能，其性能影响运动控制系统的最终性能2023-1-24第八章 伺服系统47CSSSE本章重点内容本章重点内容伺服系统的基本组成伺服系统与调速系统的异同步进电动机的特点、控制方法伺服电动机的特点、控制方法2023-1-24第八章 伺服系统48CSSSE本章作业本章作业2023-1-24第八章 伺服系统49