《闭环伺服系统》PPT课件.ppt

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1、第六章第六章 闭环伺闭环伺 服服 系系 统统l 伺服系统定义伺服系统定义l 伺服系统组成伺服系统组成l 伺服系统要求及分类伺服系统要求及分类l 伺服系统控制环路伺服系统控制环路l 伺服系统性能分析伺服系统性能分析l第六章 闭环伺服系统l（一）概念：（一）概念：l1 伺服系统概念及分类伺服系统概念及分类 P195 P196l2 全闭环与半闭环全闭环与半闭环 P196l3 伺服系统的控制环路伺服系统的控制环路P201 P204l4 复合控制器复合控制器 P209l5 数字数字PID控制算法控制算法 P215l（二）计算及简单应用：（二）计算及简单应用：l1 电流环、速度环传递函数电流环、速度环传递

2、函数l2 位置环的开环传递函数位置环的开环传递函数P204l3伺服刚度伺服刚度P205l4伺服系统的闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数P206l5 输入参考指令的单位阶跃和单位斜坡及系统误差输入参考指令的单位阶跃和单位斜坡及系统误差P205伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术定定定定 义义义义 以以移移动动部部件件的的位位置置和和速速度度作作为为控控制制量量的的自动控制系统。自动控制系统。伺服系统（伺服系统（Feed Servo System）位置指令位置控制调节器速度控制调节器速度检测位置控制速度控制+-电机机械传动机构实际位置反馈实际速

3、度反馈功率驱动位置检测+伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成l伺服系统组成伺服系统组成 位位置置检检测测装装置置将将检检测测到到的的移移动动部部件件的的实实际际位位移移量量进进行行位位置置反反馈馈，与与位位置置指指令令信信号号进进行行比比较较，将将两两者者的的差差值值进进行行位位置置调调节节，变变换换成成速速度度控控制制信信号号，控控制制驱驱动动装装置置驱驱动动伺伺服服电电动动机机以以给给定定的的速速度度向向着着消消除除偏偏差差的的方方向向运运动动，直直到到指指令令位置与反馈的实际位置的差值等

4、于零为止。位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成伺服系统组成l 基本工作原理基本工作原理伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统要求伺服系统要求伺服系统要求伺服系统要求 1.调速范围要宽且要有良好的稳定性（在调速范围内）调速范围要宽且要有良好的稳定性（在调速范围内）调速范围：调速范围：RN=Fmax/Fmin 一般要求：一般要求：RN 1000，且且 0.1 mm/min Fmin 1 mm/min 稳定性：稳定

5、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。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.位位置置精精度度高高 实实际际位位移移与与指指令令位位移移的的差差值值要要小小。位位置置精精度度一一般般为为0.010.001mm，甚至可高至，甚至可高至0.1m。3.稳稳定定性性好好 即即负负载载特特性性要要硬硬，当当负负载载发发生生变变化化或或承承受受外外界界干干扰扰的的情情况况下下，输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。4.动动态态响响应应快快 即即有有高高的的灵灵敏敏度度，达达到到最最大大稳稳态态速速度度的的时时间间要要短短，

6、一一般般要要求求在在200100ms，甚甚至至小小于于几几十十毫毫秒秒。动动态态响响应应的的快快慢慢，反反映映了了系系统统跟跟踪踪精精度度的的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。表面质量的好坏。伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术伺服系统分类伺服系统分类伺服系统分类伺服系统分类 伺服系统是一个位置随动系统，按有无位置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：检测和反馈有以下三种：l 开环伺服系统开环伺服系统l 半闭环伺服系统半闭环伺服系统l 闭环伺服系统闭环伺服系统步

7、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伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统l 开环伺服系统组成开环伺服系统组成 由由控控制制器器送送出出的的进进给给指指令令脉脉冲冲，经经驱驱动动电电路路控控制制和和功功率率放放大大后后，驱驱动动步步进进电电机机转转动动，通通过过齿齿轮轮副副与与滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副驱驱动动执执行行部部件件，无无需需位位置检测装置置检测装置。系系统统的的位位置置精精度度主主要要取取决决于于步步进进电电机机的的角角位位移移精精度度、齿齿轮轮丝丝杠杠等等传传动元件的导程

8、或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。位位置置精精度度较较低低，其其定定位位精精度度一一般般可可达达0.02mm。如如果果采采取取螺螺距距误误差差补补偿偿和和传传动动间间隙隙补补偿偿等等措措施施，定定位位精精度度可可提提高高到到0.01mm。此此外外，由由于于步步进进电电机机性性能能的的限限制制，开开环环进进给给系系统统的的进进给给速速度度也也受受到到限限制制，在在脉脉冲冲当当量为量为0.01mm时，一般不超过时，一般不超过5m/min。伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统开

9、环伺服系统开环伺服系统l 开环伺服系统特点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+编码器编码器伺服电机伺服电机位置指令伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统l 半闭环伺服系统组成半闭环伺服系统组成伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统l 半闭环伺服系统特点半闭环伺服系统特点 将将检检测测装装置置装装在在伺伺服服电电机机轴轴或或传传动动

10、装装置置末末端端，间间接接测测量量移移动动部部件件位位移移来来进进行行位位置置反反馈馈的的进进给给系系统统称为称为半闭环伺服系统半闭环伺服系统。在在半半闭闭环环伺伺服服系系统统中中，将将编编码码器器和和伺伺服服电电机机作作为为一一个个整整体体，编编码码器器完完成成角角位位移移检检测测和和速速度度检检测测，用用户户无无需需考考虑虑位位置置检检测测装装置置的的安安装装问问题题。这这种种形形式式的的半半闭闭环环伺伺服服系系统统在在机机电电一一体体化化设设备备上上得得到到广广泛泛的的采用。采用。位置指令位置控制调节器速度控制调节器速度检测+实际位置反馈实际速度反馈功率驱动位置检测+伺服电机伺服电机测速

11、发电机或编码器伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统l 闭环伺服系统组成闭环伺服系统组成 将将检检测测装装置置装装在在移移动动部部件件上上，直直接接测测量量移移动动部部件件的的实实际际位位移移来来进进行位置反馈的进给系统称为行位置反馈的进给系统称为闭环伺服系统闭环伺服系统。闭闭环环伺伺服服系系统统可可以以消消除除机机械械传传动动机机构构的的全全部部误误差差，而而半半闭闭环环伺伺服服系系统统只只能能补补偿偿部部分分误误差差，因因此此，半半闭闭环环伺伺服服系系统统的的精精度度比比闭闭环环系系统统的的

12、精度要低一些。精度要低一些。由由于于采采用用了了位位置置检检测测装装置置，所所以以，闭闭环环进进给给系系统统的的位位置置精精度度在在其其他因素确定之后，主要取决于检测装置的分辨率和精度。他因素确定之后，主要取决于检测装置的分辨率和精度。闭闭环环和和半半闭闭环环伺伺服服系系统统因因为为采采用用了了位位置置检检测测装装置置，所所以以在在结结构构上上较较开开环环进进给给系系统统复复杂杂。另另外外，由由于于机机械械传传动动机机构构部部分分或或全全部部包包含含在在系系统统之之内内，机机械械传传动动机机构构的的固固有有频频率率、阻阻尼尼、间间隙隙等等将将成成为为系系统统不不稳稳定定的因素，因此，闭环和半闭

13、环系统的设计和调试都较开环系统困难。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。伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统l 闭环伺服系统特征闭环伺服系统特征伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统 在在全全数数字字式式伺伺服服系系统统中中，控控制制器器直直接接将将位位置置指指令令以以数数字字信信号号的的形形式式传传送送给给伺伺服服驱驱动动装装置置，伺伺服服驱驱动动装装置

14、置本本身身具具有有位位置置和和速速度度控制功能。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：控制器与伺服驱动装置之间通过总线相互传递如下信息：l 位置指令和实际位置位置指令和实际位置l 速度指令和实际速度速度指令和实际速度l 转矩指令和实际转矩转矩指令和实际转矩l 伺服系统及伺服电机参数伺服系统及伺服电机参数l 伺服状态和报警伺服状态和报警l 全数字式伺服系统全数字式伺服系统 CNC 第第 n 轴伺服单元轴伺服单元 第第 1 轴伺服单元轴伺服单元SMPC总线总线总线总线SMPC 控制器 第第 n 轴伺服单元轴伺服单元 第第 1 轴伺服单元轴伺服单元SMPC总线总线总线总线SMP

15、C伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统l 全数字式伺服系统组成全数字式伺服系统组成伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统l 全数字式伺服系统特点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。系统的位置、速度和电流环节的调整由软件实现。2.具具有有较较高高的的动动、静静态态特特性性。在在检检测测灵灵敏敏度度、温温度度漂漂移移、噪噪声声及及抗抗干

16、干扰扰等等方方面面都都优于模拟式伺服系统。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。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.由由于于全全数数字字式式伺伺服服系系统统采采用用总总线线通通信信方方式式，极极大大地地减减小小了了连连接接电电缆缆，便便于于设设备备安装和维护，提高了系统可靠性，同时通过显示终端实时监控伺服状态。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。当当前前，全全数数字字式式交交流流伺伺服服系系统统在在机机电电一一体体化化设设备备驱驱动动中中得得到到了了广广泛泛应应用用。全全数数字字式式交交流流伺伺服服可可作

17、作速速度度、转转矩矩和和位位置置控控制制，接接受受指指令令脉脉冲冲或或模模拟拟电电压压指指令令信信号号，并并自自带带位位置置环环，具具有有丰丰富富的的自自诊诊断断、报报警警功功能能。各各控控制制参参数数通通过过以以下下方方法法用用数字方式设定：数字方式设定：l 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显示器和按键进行设定l 通过驱动装置上的通信接口与上位机通信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l 通过可分离式编程器和驱动装置上的接口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伺服系统伺服系统伺服系统 机电一体化技术机电一体化技术机电一体化技术机电一

18、体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统全数字式伺服系统控制器控制器总线总线驱动装置驱动装置显示设定窗口显示设定窗口编码器信号线编码器信号线三相电三相电源进线源进线伺服电机伺服电机三相电源三相电源l伺服概念：伺服概念：l这是英文这是英文servo的谐音，念起来与外文的伺服发音的谐音，念起来与外文的伺服发音差不多。但伺服这个字就是差不多。但伺服这个字就是“侍候侍候”，就是非常，就是非常听话，让走到哪，就走到哪。听话，让走到哪，就走到哪。l 在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让哪在数控机床中，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，这一台电动机就一个驱动电动机拖着工

19、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，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。成指令要求的任务。l 伺服系统控制环路伺服系统控制环路l很显然，伺服系统所以能作到这一点，也是非很显然，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，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

20、象其难度之大。精确定位，可以想象其难度之大。l但是随着科学技术的进步，人们不断从生产实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，践中总结经验，一步一步找到了好的控制办法，这就是这就是三环结构三环结构。l 三环结构如图三环结构如图4-1所示。所示。l 这三个环就是这三个环就是位置环、速度环、电流环位置环、速度环、电流环。l1、位置环也称为外环，其输人信号是计算机、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个反馈是负反馈，也就是说与指令信号相位相

21、反。反。l指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是送去减数。送去减数。l位置环的输出就是速度环的输人。位置环的输出就是速度环的输人。l2、速度环也称为中环，这个环是一个非常重、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：要的环，它的输人信号有两个：l一个是位置环的输出，做为速度环的指令信号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。速度环。速

22、度环的两个输人信号也是反相的。一个是加，一个是减。一个是加，一个是减。l速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。速度环的翰出就是电流环的指令输人信号。l3、电流环也叫做内环，电流环也有两个输人、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；另一个信号，一个是速度环抽出的指令信号；另一个l经电流互感器，并经处理后得到的电流信号，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，它送人电流环它代表电动机电枢回路的电流，它送人电流环l也是负反馈。也是负反馈。l电流环的输出是一个电压模拟信号，用它来控电流环的输出是一个电压模拟信号，用它来控制制PWM电路，产生相

23、应的占空比信号去触发电路，产生相应的占空比信号去触发功率变换单元电路，功率变换单元电路，l使电动机获得一个与计算机指令相关的，并与电动机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。足计算机指令的要求。l 这三个环都是调节器，其中有时采用比例调节器，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调节器l关于位置反馈网络、速度反馈网络、电流反馈网络到关于位置反馈网络、速度反馈网络、电流反馈网

24、络到底是什么样子可以这么说，有时是非常简单的一个电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。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。l 伺服系统性能分析伺服系统性能分析(3)(3)开环传递函数开环传递函数 Open-loop Transfer Function Open-loo

25、p Transfer Function 假设假设N(s)=0N(s)=0 主反馈信号主反馈信号B(s)B(s)与误差信号与误差信号E(s)E(s)之比。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*(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，当控制输入线性系统满足叠加原理，当控制输入R(s)R(s)与扰动与扰动N(s)N(s)同时作用于系同时作用于系统时，系统的输出及误差可表示为：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。