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1、第二章 现代伺服系统设计实例主要内容o现代伺服系统设计基础o电液伺服系统设计的关键问题o雷达光电跟踪液压系统设计实例分析o直驱式电液伺服系统设计实例分析现代伺服系统设计基础o伺服系统又称随动系统，是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。o机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。伺服系统分类o从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、液压伺服系统和电气液压伺服系统、电气气动伺服系统等；o从系统输出量的物理性质来看，
2、有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等；o从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统；o从系统结构特点来看，有开环伺服系统、闭环伺服系统。伺服系统分类o开环控制n结构简单，要综合考虑带载能力、调速范围、运行精度、可靠性、可控性等因素。n用于负载不大，精度要求不高的场合。伺服系统分类o半闭环控制n有反馈环节，系统结构相对简单，控制易于实现，精度高。伺服系统分类o闭环控制n将全部环节都封闭在反馈环内，控制精度最高。但系统结构复杂，设计难度大，成本高，应用广泛。伺服系统分类o模拟伺服系统n在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，在此系统中，输入信号、反馈信号、偏
3、差信号及其放大、校正都是连续的模拟量 伺服系统分类o数字伺服系统n在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。数字检测装置有很高的分辨能力，所以数字伺服系统可以得到很高的绝对精度。数字伺服系统的输入信号是很强的脉冲电压，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。所以当要求较高的绝对精度，而不是重复精度时，常采用数字伺服系统。伺服系统组成o例：数控机床伺服系统n由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。伺服系统的基本要求o对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。n稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令
4、信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。n精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。n快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。o高可靠性、高效率伺服系统的执行元件o执行元件分类执行元件电磁式液压式气压式其 它电动机电磁铁及其它油 缸液压马达气 缸气压马达与材料有关伺服系统的执行元件o伺服电动机的分类电电 动动 机机交流交流(AC)伺服电动机伺服电动机直流直流(DC)伺服电动机伺服电动机步进电动机步进电动机其它电动机其它电动机
5、其它电动机伺服电动机的基本特性o具有较硬的机械特性和良好的调节特性o机械特性是指在一定的电枢电压条件下，转速和转矩的关系o调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系 Ua1 Ua2 Ua1 Ua2 ML=0 ML0 0 a）机械特性）机械特性 n M n 0 Ua b）调节特性）调节特性 伺服电动机的基本特性o具有宽广而平滑的调速范围n伺服系统要完成多种不同的复杂的动作，需要伺服电动机在控制指令的作用下，转速能够在很广的范围内调节。o具有快速响应特性n所谓快速响应特性是指伺服电动机从获得控制指令到按指令要求完成动作的时间要短。响应时间越短，说明伺服系统的灵敏性越高。直流伺服电机及控制o
6、电压、转速和转矩的关系n随着控制电压增加，机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动，但斜率不变。机械特性是线性的，线性度越高，系统的动态误差越小。nM一定时，控制电压Ua高时，转速n也高，二者成正比关系。n脉宽调制（PWM）直流调速驱动交流流伺服电机及控制o其旋转速度为n式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数；n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率。交流流伺服电机及控制o电压、转矩和转速的关系n由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为90，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅
7、值控制方法。步进电机及控制o步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。因为它的运动形式是步进式的，故称为步进电动机。其特点是没有积累误差,广泛应用于各种开环控制。步进电机及控制o转矩角n对每一相绕组通电的操作称为一拍，则A、B、C三相绕组轮流通电需要三拍，从上面分析可知，电机转子转动一个齿距需要三拍操作。实际上，电机每一拍都转一个角度，也称前进了一步，这个转过的角度叫做步距角n式中：Z为转子上的齿数；m为步进电动机运行的拍数。o脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。伺服系统的典型负载o系统典型负载分析n随动系统和调速系统一般来
8、说都是由执行电动机(或液压、气动马达)带动被控对象做机械运动。被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳态和动态性能。n系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎任一系统均有。系统典型负载分析o摩擦负载n在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面之间都存在着摩擦。n从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚动摩擦。n接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘性摩擦(或称湿摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦)。在条件相同情况下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。系统典型负载分析o惯性负载n物体作变速运
9、动时便有惯性负载产生。当执行元件带动被控对象沿直线作变速运动时，被控对象存在有惯性力FL FL=-m(dv/dt)n当系统所带的被控对象作旋转运动时，被控对象形成的惯性负载转矩为 ML =-JLd/dt系统典型负载分析o阻尼负载n当被控对象在流体中运动时，除了形成一定的附加质量惯量(或附加质量转动惯量)以外，还会产生一个由于流体摩擦、激波等原因而造成的阻力(或阻力矩)，这个力(或力矩)与物体运动的速度、速度的平方甚至更高次方成比例。在相对运动速度不高情况下，可以认为阻尼力(或力矩)与运动速度(或角速度)成比例。Fv=-bv M=-2N系统典型负载分析o其他工作阻力负载：除了上述三项由对象自身运
10、动而产生的负载力(力矩)之外。有些运动对象还会受到正常工作要克服的阻力(力矩)，例如:n切削机床的切削力(力矩)；n升降机在上升时要克服重力；n船舶摇鳍在转动时要克服由于重心与转轴不一致导致的重力力矩和由于浮力中心和轴线不一致而造成的浮力不平衡力矩；n雷达天线在运动时要克服风载阻力矩。电液伺服系统设计的关键问题o电液伺服系统工作原理n液压伺服控制的基本原理是：“液体动力的反馈控制”。在这个系统中，以微弱的输入和反馈连接得到的偏差信号，通过电液伺服元件的功率放大作用去控制进入系统的液压能源的大小，使系统的输出能够自动地、快速而精确地复现输入量的变化规律。电液伺服与机液伺服的比较液压助力转向装置电
11、液伺服与机液伺服的比较电液伺服与机液伺服的比较液压液压液压液压执行件执行件执行件执行件电伺服电伺服电伺服电伺服放大器放大器放大器放大器力矩力矩力矩力矩马达马达马达马达eiegef-xp扰扰扰扰 动动动动比较比较样板样板给定给定液压液压液压液压放大元件放大元件放大元件放大元件液压能源液压能源液压能源液压能源I位移位移位移位移传感器传感器传感器传感器2 2 2 2电液伺服阀电液伺服阀缸缸位移传位移传位移传位移传感器感器感器感器1 1 1 1xi位置比较用电压比较代替电液仿形控制系统放大元件放大元件放大元件放大元件输出输出输出输出 y2电液位置控制系统原理图电液位置控制系统原理图电液位置控制系统原理
12、图电液位置控制系统原理图测量传感器2测量传感器1输入输入输入输入 y1 ps p0p1p2Aqq x 力矩力矩力矩力矩马达马达马达马达恒压力油源恒压力油源恒压力油源恒压力油源比较元件与调节器U1U1U2U2I I指令元件指令元件指令元件指令元件导弹位置控制系统液压缸液压缸液压缸液压缸带动舵机带动舵机带动舵机带动舵机导弹导弹导弹导弹eg-飞机飞机飞机飞机伺服阀伺服阀角位移角位移角位移角位移传感器传感器传感器传感器电液伺服系统的分类o按照被控制参数分类电液速度控制系统电液速度控制系统对象的速度跟踪给定信号对象的速度跟踪给定信号速度速度控制控制电液力控制系统电液力控制系统对象的推力跟踪给定信号对象的
13、推力跟踪给定信号力力控制控制位置位置控制控制电液位置控制系统：电液位置控制系统：对象的位移跟踪给定信号对象的位移跟踪给定信号90%的系统的系统为位置系统为位置系统电液位置控制系统o系统结构与原理被控对象指令元件比较反馈元件导弹发射方位角控制系统导弹发射方位角控制系统电液位置控制系统I自整角机及放大器电电液液伺伺服服阀阀动力元件对象指令元件自整角机输出-r 自整角机发送器转子轴的转角，即系统的输入信号；r 自整角机发送器转子轴的转角，即系统的输入信号；自整角机的增益为 Ke 决定于自整角机的常数 电液位置伺服系统方块图1Dm-+-cT TL Lrem比较元件比较元件伺服阀伺服阀马达与阻抗马达与阻
14、抗负载干扰负载干扰变换变换方块图简化-+-crem负载干扰负载干扰一般系统最低转折频率是动力元件的液压固有频率h，其它转折频率均远大于h而可以忽略。电液伺服阀也看成是一个简单的比例环节电液伺服阀也看成是一个简单的比例环节.式中，Kv为系统开环增益，也就是速度常数 电液速度控制系统o原理图直流直流放大器放大器eiegef-i液压液压液压液压马达马达马达马达测速发电机测速发电机测速发电机测速发电机伺服阀伺服阀液压马达电伺服放大器eiegef-扰 动比较伺服阀i速度传感器电液速度控制系统+-电液力控制系统伺服伺服放大放大器器伺伺伺伺服服服服阀阀阀阀-xpkB电液转换元件o控制阀的选用n简单、可靠、经
15、济、高效为原则n马达通过滚珠丝杠可实现高精度直线运动电液转换元件o普通开关电磁阀n二位或三位开关阀，不能控制执行 元件的速度、加速度n由继电器或换向开关切换，响应20-100msn其组成的系统简单、廉价电液转换元件电液转换元件o带阀芯控制的开关电磁阀n配装阀芯行程调整器n限制阀芯开度，控制流量n无温度或压力补偿电液转换元件o不带反馈的比例阀n通过改变电磁线圈的电流改变阀芯的位置n使用放大器的斜坡发生器可以控制阀芯的运动速度以控制执行元件的加速度n响应时间50-150ms电液转换元件o比例阀和位移传感器可以实现连续位置控制n控制凸肩造成阀 芯死区n提高放大器增益 可减小死区误差电液转换元件o带反
16、馈的高性能比例阀n使用单个电磁铁实现阀芯在阀体中的定位n位移传感器LVDT给阀控放大器一个反馈信号n响应快速：100%阶跃输出小于10ms电液转换元件o电液伺服阀n将几毫安的电控信号转换成几十千瓦的巨大功率输出n控制精度高、响应快、体积小、功率放大系数高n目前最常用的是以喷嘴挡板为前置级、滑阀位置反馈、两级干式的电液伺服阀电液伺服阀o阀芯与阀套的重叠状态o流量增益电液伺服阀o压力增益o额定流量n指100%输入电流和7MPa总压降是的流量n负载流量电液伺服阀o传递函数伺服阀和高性能比例阀的比较o近年，高性能比例阀性能已和伺服阀接近，且成本较低o区别：驱动阀芯的方式n比例阀由功率较大的电磁铁操作n
17、伺服阀由功率较小的力矩马达操作液压执行元件o分类n液压缸(实现直线往复运动或摆动)n液压马达(实现回转运动)液压缸o液压缸分类n按结构形式分：o活塞缸 又分单杆活塞缸、双杆活塞缸o柱塞缸o摆动缸 又分单叶片摆动缸、双叶片摆动缸n按作用方式分：o单作用液压缸 油液只通缸的一腔，油液驱动活塞杆单方向运动，反向靠弹簧力、重力等驱动；o双作用液压缸 双向运动都依靠油压力驱动；o复合式缸 活塞缸与活塞缸组合、活塞缸与柱塞缸组合、活塞缸与机械结构组合。双活塞杆缸的应用单杆活塞缸柱塞缸应用实例液压马达o分类n齿轮式n叶片式n轴向柱塞式n径向柱塞式n低速大扭矩液压马达：直接驱动负载电液伺服系统中的传感器o性能
18、指标n线性度：额定最大输出的百分数表示n温度漂移：温度变化1度下额定信号的百分比n分辨率：传感器分辨率应比系统所需精度高一个数量级n动态响应：传感器的固有频率应比系统的固有频率高一个数量级n机械连接：应刚性连接n纹波：指电气输出的电压或电流波动电液伺服系统中的传感器o传感器的信号调理n放大n中间转换n解调（整流）n从电压向电流转换（或相反）n从数字向模拟转换（或相反）n校准（定比例尺）位移传感器o直线位移传感器n直线电位器：噪声大，不适合小位移和高精度测量位移传感器o直线位移传感器n直线可变差动变压器：无机械磨损问题，频率范围较大，但线性误差较大位移传感器o磁致伸缩传感器n敏感元件非接触n应用
19、在高温、高压和高振荡环境位移传感器o磁阻磁尺n精度高、外形小、重量轻，安装调整方便n不怕油、粉尘等，寿命长，可靠性高位移传感器o感应同步器n高精度角度、位移检测元件n在精密、大型机床的数字系统中广泛应用速度传感器o测速发电机n即永磁直流发电机，输出直流电压n与齿轮齿条配合用来测量直线速度速度传感器o光电脉冲发生器n类似与光电开关，转盘旋转时，光电管发出与转速成比例的脉冲信号，检测精度高力传感器o应变式力传感器n采用应变片组成全桥式电路；当压力作用于内腔时，使电桥失去平衡，输出与压力成一定关系的电压。压力传感器o主要利用晶体的压电效应而制造n另有压阻压力传感器、应变压力传感器伺服系统控制方案的选
20、择o控制方案的选择n伺服系统的都是为某一具体的控制对象服务的，因而必须按照对象的特点和需要，制订方案，以作为依据。n系统控制方案的选择要考虑系统的性能指标要求，元件的资源和经济性；工作的可靠性和使用寿命；可操作性能和可维护性能。方案分类o直流、交流、交直流混合和数字控制等方案；o单回路和多回路方案；o线性控制和非线性控制方案；o前馈控制和补偿控制，亦称复合控制等。控制方案的比较o单回路控制方案n单回路容易实现，结构简单，但性能上有缺陷n系统开环特性G(s)=Gc(s)G0(s)都在前向通道内，对系统参数变化比较敏感n对于二阶系统，在一定频率范围内，1-(s)1,系统对于扰动N(s)比没有反馈时
21、要差。因此，单回路控制系统难于抑制干扰作用的影响。n单回路控制系统只适用于被控对象比较简单。性能指示要求不很高的情况。控制方案的比较o双回路控制方案n可以选择串联校正装置Gc1(s)和并联校正装置Gc2(s)来满足对R(s)和N(s)的指标要求。由于有了局部反馈，可以充分抑制N(s)的干扰作用，而且当部件G2(s)的参数变化很大时，局部闭环可以削弱它的影响。一般局部闭环是引入速度反馈。它还可改善系统的低速性能和动态品质。n选择局部闭环的原则如下：一方面要包围干扰作用点及参数变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高(一般不于三阶)。G1(s)Gc1(s)G2(s)rc_nGc2(s)-+控
22、制方案的比较o复合控制方案n反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参数发生变化时，才能形成偏差，从而才有控制作用。复合控制则是在偏差出现以前，就产生控制作用，属于开环控制方式。n前馈控制又叫顺馈控制或开环补偿。引入前馈控制的目的之一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差，加速度误差等。补偿控制是对外界干扰进行补偿。当外界干扰可量测时，通过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响。反馈控制方案前馈控制方案换热器前馈控制方块图换热器前馈控制方块图选择方案注意事项o选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。针对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。n军用伺服系统：工作品质、可靠性和灵活性；n民用伺服系统：长期运行的经济性；o系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，对精度的要求高时，可以设计二阶无差度系统或者采用复合控制系统。o考虑电磁兼容性要求。o选择方案应根据系统的主要要求，初步拟定方案，进行可行性分析、试验，进一步补充和完善。有时需要构思几个方案进行对比、优化，方案确定后便可按照设计步骤逐项进行。