伺服电动机运动系统位置闭环控制.doc

伺服电动机运动系统的位置闭环控制简介: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。一、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,调试也比较困难。下面讲述鉴相式伺服系统的工作原理。,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,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。,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,故反馈信号与基准信号同相位,其相位差θ=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ψ-θ。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θ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ψ=θ,说明工作台实际移动量等于指令信号要求它的位移量。若ψ≠θ,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