闭环伺服控制系统解决方案

1、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、速度环传递函数l2 位置环的开环传递函数位置环的开环传

2、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 以移动部件的位置和速度作为控制量的以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。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度反馈功率驱动位置检测+ l伺服系统组成伺服系统组成 位置检测装置将检测到的移动部件的实位置检测装置将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈，与位置指

3、令信号进行际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进行比较，将两者的差值进行位置调节，变换成速比较，将两者的差值进行位置调节，变换成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电动机以度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到指给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。 l 基本工作原理基本工作原理 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

4、mm/min Fmin 1 mm/min 稳定性：稳定性：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. 位置精度高位置精度高 实际位移与指令位移的差值要小。位置精度一般为实际位移与指令位移的差值要小。位置精度一般为0.010.001mm，甚至可高至，甚至可高至0.1m。 3.稳定性好稳定性好 即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰的情况下，即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰的情况下，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.动态响应快动态响应快 即有高的灵敏度，

5、达到最大稳态速度的时间要短，一般要求即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短，一般要求在在200100ms，甚至小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的，甚至小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，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进电机步进驱动装置控制器脉冲串方向脉冲相电压 l 开环伺服

6、系统组成开环伺服系统组成 由控制器送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，由控制器送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，驱动步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件，驱动步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件，无需无需位置检测装置位置检测装置。 系统的位置精度主要取决于步进电机的角位移精度系统的位置精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传齿轮丝杠等传动元件的导程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。 位置精度较低位置精度较低，其定位精度一般可达，其定位精度一般可达0.02mm。如果采取螺距误。如果采取

7、螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到0.01mm。此外，。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制进给速度也受到限制，在脉，在脉冲当量为冲当量为0.01mm时，一般不超过时，一般不超过5m/min。 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 l 半闭环伺服系统组成半闭环伺服系统组成 l 半闭环伺服系统特点半闭环伺服系统特点 将检测装置装在伺服电机轴或传动装置末端，将检测装置装

8、在伺服电机轴或传动装置末端，间接测量移动部件位移来进行位置反馈的进给系统间接测量移动部件位移来进行位置反馈的进给系统称为称为半闭环伺服系统半闭环伺服系统。 在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作为一个整体，编码器完成角位移检测和速度检测，为一个整体，编码器完成角位移检测和速度检测，用户无需考虑位置检测装置的安装问题。这种形式用户无需考虑位置检测装置的安装问题。这种形式的半闭环伺服系统在机电一体化设备上得到广泛的的半闭环伺服系统在机电一体化设备上得到广泛的采用。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+

9、伺服电机伺服电机测速发电机或编码器 l 闭环伺服系统组成闭环伺服系统组成 将检测装置装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来进将检测装置装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来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。 闭环伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服闭环伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服系统只能补偿部分误差，因此，半闭环伺服系统的精度比闭环系统的系统只能补偿部分误差，因此，半闭环伺服系统的精度比闭环系统的精度要低一些。精度要低一些。 由于采用了位置检测装置，所以，闭环进给系统的位置精度在其由于采用了位置检测装

10、置，所以，闭环进给系统的位置精度在其他因素确定之后，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。 闭环和半闭环闭环和半闭环伺服伺服系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上较开环进给系统复杂。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系较开环进给系统复杂。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定的因素，因此，闭环和半闭环系统的设计和调试都较开环系统困难。的因素，因此，闭环和半闭环系统的设计和调试都较开环

11、系统困难。 l 闭环伺服系统特征闭环伺服系统特征 在全数字式伺服系统中，控制器直接将位置指令以数字信在全数字式伺服系统中，控制器直接将位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置和速号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置和速度控制功能。度控制功能。 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

12、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SMPC l 全数字式伺服系统组成全数字式伺服系统组成 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. 具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、温度漂移、噪声及抗干扰等方面具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、温度漂移、噪声及抗干扰等方面都优于模拟式伺服系统。都优于模拟式伺服系统。

13、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. 由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，极大地减小了连接电缆，便于设由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，极大地减小了连接电缆，便于设备安装和维护，提高了系统可靠性，同时通过显示终端实时监控伺服状态。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。 当前当前 ，全数字式交流伺服系统在机电一体化设备驱动中得到了广泛应用。，全数字式交流伺服系统在机电一体化设备驱动中得到了广泛应用。全数字式交流伺服可作速度、转矩和位置控制，接受指令脉冲或模拟电压指令全数字式交流伺服

14、可作速度、转矩和位置控制，接受指令脉冲或模拟电压指令信号，并自带位置环，具有丰富的自诊断、报警功能。各控制参数通过以下方信号，并自带位置环，具有丰富的自诊断、报警功能。各控制参数通过以下方法用数字方式设定：法用数字方式设定：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 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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、、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

21、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。+ + +H H( (s s) )- -+ +R R( (s s) )E E( (s s) )B B( (s s) )N N( (s s) )打打开开反反馈馈)(1sG)(2sGC(s)图图2 2- -1 17 7 反反馈馈控控制制系系统统方方块块图图)()()()()(21sGsGsGsEsC)()()(sHsCsB(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

22、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-loop 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。)()()()()()()(21sHsGsHsGsGsEsB(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。)()(1)()()(1)()()()(21sGsHsGsGsHsGsGsRsC推导：因为 )()()()()()()(sGsHsCsRsGsEsC右边移过来整理得 )()(1)()()(sGsHsGsRsC开环传递函数前向通路传递函数1)()(1)()()(sGsHsGsRsC即 *(5)误差传递函