| 當系統(tǒng)精度要求較高或負載較大時，開環(huán)伺服系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時應采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。 從控制原理上講，閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制是一樣的，都要對系統(tǒng)輸出進行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制。 兩者的區(qū)別僅在于傳感器檢測信號位置的不同，因而導致設計、制造的難易程度不同及工作性能的不同，但兩者的設計與分析方法是基本上一致的。 一、系統(tǒng)方案設計 (一)閉環(huán)或半閉環(huán)控制方案的確定 當系統(tǒng)精度要求很高時，應采用閉環(huán)控制方案。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構復雜，設計難度大，成本高，尤其是機械系統(tǒng)的動態(tài)性能難于提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性難于保證。因而除非精度要求很高時，一般應采用半閉環(huán)控制方案。目前大多數(shù)數(shù)控機床和工業(yè)機器人中的伺服系統(tǒng)都采用半閉環(huán)控制。 (二)執(zhí)行元件的選擇 直流伺服電動機、交流伺服電動機或伺服閥控制的液壓伺服馬達作為執(zhí)行元件。 (三)檢測反饋元件的選擇 常用的位置檢測傳感器有旋轉變壓器、感應同步器、碼盤、光電脈沖編碼器、光柵尺、磁尺等。 ①被測量為直線位移，應選尺狀的直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應同步器等。 ②被測量為角位移，應選圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器、圓感應同步器、旋轉變壓器、碼盤等。 在位置伺服系統(tǒng)中，為了獲得良好的性能，往往還要對執(zhí)行元件的速度進行反饋控制，因而還要選用速度傳感器。交、直流伺服電動機常用的速度傳感器為測速發(fā)電機。目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，也常采用光電脈沖編碼器，既測量電動機的角位移，又通過計時而獲得速度。 (四)機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)方案的確定 機械傳動與執(zhí)行機構在結構形式上與開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)基本一樣，即由執(zhí)行元件通過減速器和滾動絲杠螺母機構，驅動工作臺運動。 控制系統(tǒng)方案的確定： 主要包括執(zhí)行元件控制方式的確定和系統(tǒng)伺服控制方式的確定。 對于直流伺服電動機，應確定是采用晶體管脈寬調制(PWM)控制，還是采用晶閘管(可控硅)放大器驅動控制。對于交流伺服電動機，應確定是采用矢量控制，還是采用幅值、相位或幅相控制。 伺服系統(tǒng)的控制方式有模擬控制和數(shù)字控制，每種控制方式又有多種不同的控制算法。 還應確定是采用軟件伺服控制，還是采用硬件伺服控制，以便據(jù)此選擇相應的計算機。二、系統(tǒng)性能分析 (一)系統(tǒng)的數(shù)學模型 (二)數(shù)學模型的簡化 1.簡化成一階系統(tǒng) 假如系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)都是理想的，沒有慣性，沒有阻尼，剛性為無窮大。 K值大的伺服系統(tǒng)稱為硬伺服或高增益系統(tǒng)，K值小的稱為軟伺服或低增益系統(tǒng)。 2.簡化成二階系統(tǒng) 當機械系統(tǒng)的剛度非常大，慣性非常小，其固有頻率遠遠大于伺服電動機固有頻率時，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性就主要取決于伺服電動機速度環(huán)的動態(tài)特性。 采用大慣量直流伺服電動機的中小型伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)大多數(shù)都屬于這種情況。 3.簡化成三階系統(tǒng) 當機械系統(tǒng)固有頻率遠低于伺服電動機固有頻率時，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于機械系統(tǒng)，則系統(tǒng)可簡化成三階系統(tǒng)。 屬于這種情況的有： 小慣量直流伺服電動機的中小型伺服系統(tǒng)或大慣量直流伺服電動機的大型伺服系統(tǒng) (三)系統(tǒng)穩(wěn)定性及快速響應性分析 利用數(shù)學模型對系統(tǒng)性能進行分析，找出系統(tǒng)各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響關系，以便在設計時合理選擇各參數(shù)。 1.一階系統(tǒng)分析 如取位置傳感器的比例系數(shù)Kp＝1 2.二階系統(tǒng)分析 3.三階系統(tǒng)分析 比例、積分環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻及相頻特性表達式為： 振蕩環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻及相頻特性表達式為： (四)系統(tǒng)精度分析 系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，其輸出位移與輸入指令信號之間的穩(wěn)態(tài)誤差δ為： 式中： δ1—與系統(tǒng)的構成環(huán)節(jié)及輸入信號形式有關的誤差，稱為跟蹤誤差； δ2—由負載擾動所引起的穩(wěn)態(tài)誤差。 1.跟蹤誤差 位置伺服系統(tǒng)屬于I型系統(tǒng)。 系統(tǒng)在跟蹤階躍輸入時的跟蹤誤差δ1＝0mm； 在跟蹤等速斜坡輸入時，其跟蹤誤差為 式中： v—輸入的速度指令(mm/s)； K—系統(tǒng)的開環(huán)增益(s-1)。 2.負載擾動所引起的誤差 對于I型系統(tǒng)，由負載擾動所引起的穩(wěn)態(tài)誤差δ2(mm)可用下式計算 式中： K3－機械系統(tǒng)的轉換系數(shù)(mm/rad)， K3＝p/(2πi) ； Tl－折算到電動機軸上的干擾轉矩(N·m)； KR－系統(tǒng)伺服剛度或稱力增益(N·m/rad)，它定義為干擾轉矩T1與由Tl引起的電動機輸出角位移的誤差之比； Kd是伺服電動機的內阻尼系數(shù)，可直接由電動機樣本查得。 三、系統(tǒng)參數(shù)設計 (一)系統(tǒng)開環(huán)增益K 通常情況下，K值在8～50s-1范圍內選取，具體取值大小還應根據(jù)系統(tǒng)控制方式、執(zhí)行元件類型、工作臺質量及導軌阻尼特性等來確定。 對于點位直線控制的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)，K值常取為8—15s-1，對于連續(xù)控制的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)，K值常取為25s-1左右。 在閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)中，通常都采用速度負反饋回路，系統(tǒng)的開環(huán)增益為： 在無速度反饋信號時，系統(tǒng)的開環(huán)增益為： 低增益伺服系統(tǒng)在運動時開環(huán)增益比較低，但在靜止狀態(tài)時，由于速度負反饋回路不起作用，因而相當于具有較高的開環(huán)增益。所以，低增益伺服系統(tǒng)并不影響其啟動時的快速響應性和制動時的定位精度。 采用計算機控制的伺服系統(tǒng)還常通過變開環(huán)增益的方法來改善系統(tǒng)性能。 在系統(tǒng)響應的開始階段，采用較高的開環(huán)增益，使系統(tǒng)響應加快，曲線上升變陡； 在系統(tǒng)響應接近穩(wěn)態(tài)值時，減小開環(huán)增益，使系統(tǒng)平穩(wěn)、無超調、而且快速地趨近于穩(wěn)態(tài)值。 (二)系統(tǒng)阻尼比ξ 對于二階系統(tǒng)，當系統(tǒng)允許的最大超調量Mp＝(25～1.5)%時，ξ可在0.4～0.8范圍內選取。 影響系統(tǒng)阻尼比ξ的主要因素是導軌阻尼比。 增加系統(tǒng)阻尼比措施： 對滾動導軌預加載荷，加設阻尼器等，或通過降低系統(tǒng)開環(huán)增益及采用速度負反饋回路的方法來增加阻尼比。 (三)系統(tǒng)固有頻率ωn 提高固有頻率有利于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速響應性，減小各種因素引起的誤差，提高抗干擾能力，但固有頻率的提高往往受系統(tǒng)結構、成本等條件限制。一般情況下，主要按系統(tǒng)穩(wěn)定性要求來確定各環(huán)節(jié)的固有頻率。 對于三階系統(tǒng)，為保證其穩(wěn)定性 若要保證系統(tǒng)具有大于10dB的幅值穩(wěn)定裕度，則要求 一般情況下，伺服系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有頻率都應滿足如下要求： 1)機械系統(tǒng)的固有頻率應高于驅動系統(tǒng)的固有頻率2～3倍 2)位置環(huán)以外的其它機械部件的固有頻率應比位置環(huán)內各部件的固有頻率高2～3倍。 3)如在位置環(huán)內還有速度環(huán)，則速度環(huán)的幅頻交界頻率應高于系統(tǒng)截止頻率ωc，驅動系統(tǒng)的固有頻率應高于速度環(huán)的幅頻交界頻率。 4)系統(tǒng)工作頻率范圍內不應包含有各環(huán)節(jié)的固有頻率，以免在擾動影響下發(fā)生共振。 5)各環(huán)節(jié)的固有頻率應相互錯開一定距離，以免振動耦合。 |
