| 當系統精度要求較高或負載較大時，開環伺服系統往往滿足不了要求，這時應采用閉環或半閉環控制的伺服系統。 從控制原理上講，閉環控制與半閉環控制是一樣的，都要對系統輸出進行實時檢測和反饋，并根據偏差對系統實施控制。 兩者的區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、系統方案設計 (一)閉環或半閉環控制方案的確定 當系統精度要求很高時，應采用閉環控制方案。 閉環伺服系統結構復雜，設計難度大，成本高，尤其是機械系統的動態性能難于提高，系統穩定性難于保證。因而除非精度要求很高時，一般應采用半閉環控制方案。目前大多數數控機床和工業機器人中的伺服系統都采用半閉環控制。 (二)執行元件的選擇 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。 在位置伺服系統中，為了獲得良好的性能，往往還要對執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電機。目前在半閉環伺服系統中，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)機械系統與控制系統方案的確定 機械傳動與執行機構在結構形式上與開環控制的伺服系統基本一樣，即由執行元件通過減速器和滾動絲杠螺母機構，驅動工作臺運動。 控制系統方案的確定： 主要包括執行元件控制方式的確定和系統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。 伺服系統的控制方式有模擬控制和數字控制，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，以便據此選擇相應的計算機。二、系統性能分析 (一)系統的數學模型 (二)數學模型的簡化 1.簡化成一階系統 假如系統中各環節都是理想的，沒有慣性，沒有阻尼，剛性為無窮大。 K值大的伺服系統稱為硬伺服或高增益系統，K值小的稱為軟伺服或低增益系統。 2.簡化成二階系統 當機械系統的剛度非常大，慣性非常小，其固有頻率遠遠大于伺服電動機固有頻率時，伺服系統的動態特性就主要取決于伺服電動機速度環的動態特性。 采用大慣量直流伺服電動機的中小型伺服系統和半閉環控制的伺服系統大多數都屬于這種情況。 3.簡化成三階系統 當機械系統固有頻率遠低于伺服電動機固有頻率時，伺服系統的動態特性主要取決于機械系統，則系統可簡化成三階系統。 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或大慣量直流伺服電動機的大型伺服系統 (三)系統穩定性及快速響應性分析 利用數學模型對系統性能進行分析，找出系統各參數對系統性能的影響關系，以便在設計時合理選擇各參數。 1.一階系統分析 如取位置傳感器的比例系數Kp＝1 2.二階系統分析 3.三階系統分析 比例、積分環節的對數幅頻及相頻特性表達式為： 振蕩環節的對數幅頻及相頻特性表達式為： (四)系統精度分析 系統在穩定狀態下，其輸出位移與輸入指令信號之間的穩態誤差δ為： 式中： δ1—與系統的構成環節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態誤差。 1.跟蹤誤差 位置伺服系統屬于I型系統。 系統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—系統的開環增益(s-1)。 2.負載擾動所引起的誤差 對于I型系統，由負載擾動所引起的穩態誤差δ2(mm)可用下式計算 式中： K3－機械系統的轉換系數(mm/rad)， K3＝p/(2πi) ； Tl－折算到電動機軸上的干擾轉矩(N·m)； KR－系統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，可直接由電動機樣本查得。 三、系統參數設計 (一)系統開環增益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系統控制方式、執行元件類型、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控機床伺服進給系統，K值常取為8—15s-1，對于連續控制的數控機床伺服進給系統，K值常取為25s-1左右。 在閉環位置伺服系統中，通常都采用速度負反饋回路，系統的開環增益為： 在無速度反饋信號時，系統的開環增益為： 低增益伺服系統在運動時開環增益比較低，但在靜止狀態時，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增益。所以，低增益伺服系統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還常通過變開環增益的方法來改善系統性能。 在系統響應的開始階段，采用較高的開環增益，使系統響應加快，曲線上升變陡； 在系統響應接近穩態值時，減小開環增益，使系統平穩、無超調、而且快速地趨近于穩態值。 (二)系統阻尼比ξ 對于二階系統，當系統允許的最大超調量Mp＝(25～1.5)%時，ξ可在0.4～0.8范圍內選取。 影響系統阻尼比ξ的主要因素是導軌阻尼比。 增加系統阻尼比措施： 對滾動導軌預加載荷，加設阻尼器等，或通過降低系統開環增益及采用速度負反饋回路的方法來增加阻尼比。 (三)系統固有頻率ωn 提高固有頻率有利于改善系統穩定性和快速響應性，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結構、成本等條件限制。一般情況下，主要按系統穩定性要求來確定各環節的固有頻率。 對于三階系統，為保證其穩定性 若要保證系統具有大于10dB的幅值穩定裕度，則要求 一般情況下，伺服系統中各環節的固有頻率都應滿足如下要求： 1)機械系統的固有頻率應高于驅動系統的固有頻率2～3倍 2)位置環以外的其它機械部件的固有頻率應比位置環內各部件的固有頻率高2～3倍。 3)如在位置環內還有速度環，則速度環的幅頻交界頻率應高于系統截止頻率ωc，驅動系統的固有頻率應高于速度環的幅頻交界頻率。 4)系統工作頻率范圍內不應包含有各環節的固有頻率，以免在擾動影響下發生共振。 5)各環節的固有頻率應相互錯開一定距離，以免振動耦合。 |
