运动控制系统第七章新版

第3篇伺服系统在生产实践中，伺服系统的应用领域特别广泛，例如：轧钢机轧辊压下量的自动限制，数控机床的定位限制和加工轨迹限制，船舵的自动操纵，火炮和雷达的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作限制等等。随着机电一体化技术的发展，伺服系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不行缺少的设备，是运动限制系统的一个重要分支。伺服（Servo）意味着“服侍”和“听从”，广义的伺服系统是指精确地跟踪或复现某个过程的反馈限制系统，也可称作随动系统。而狹义伺服系统的被限制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作随意变更时，系统的主要任务是使输出量快速而精确地复现给定量的变更，又称作位置随动系统。第7章伺服系统伺服系统的特征及组成伺服系统的基本要求及特征1．伺服系统的基本要求伺服系统的功能是使输出快速而精确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求：(1)稳定性好伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者复原到原先的平衡状态。(2)精度高伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，要求很高的定位精度。(3)动态响应快动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。(4)抗扰动实力强在各种扰动作用时，系统输出动态变更小，复原时间快，振荡次数小，甚至要求无振荡。1.伺服系统的组成伺服系统由伺服电机、功率驱动器、限制器和传感器四大部分组成，除了位置传感器外，可能还须要电压、电流和速度传感器。位置伺服系统结构示意图1.伺服电机与功率驱动器伺服电机是伺服系统的执行机构，在小功率伺服系统中多用永磁式伺服电机，如永磁式直流伺服电机、直流无刷伺服电机、永磁式沟通伺服电机，也可接受磁阻式伺服电机。在大功率或较大功率的状况下也可接受电励磁的直流或沟通伺服电机。2.伺服系统限制器限制器是伺服系统的关键所在，伺服系统的限制规律体现在限制器上，限制器应依据位置偏差信号，经过必要的限制算法，产生功率驱动器的限制信号。位置传感器1.电位器2.基于电磁感应原理的位置传感器3.光电编码器4.磁性编码器光电开关是一种位置检测装置，通常分为放射器和接收器两部分。工作状态下，放射器发出调制光，受到待检测物体的反射或阻断时，会造成接收器入射光强度的变更，从而引起输出电流的变更，经信号处理变更输出开关状态即可达到检测目的。光电开关属于无接触式位置传感器，其输入与输出之间没有电磁联系。相对于接触式测量，光电开关寿命长、抗电磁干扰实力强。按封装方式，光电开关可分为自包含式、光纤式、远距式；按扫描方式，光电开关可分为对射式、漫反射式、镜反射式、槽式、光纤式和远距式光电开关。光电开关早期主要在工业自动化中用于检测物体是否存在，近年来应用范围扩大到物位检测、液位限制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、平安防护、平安警戒、远程供电、信息传递等。（1）光源光电开关最早运用白炽灯作为光源，后接受红外LED。LED为非相干光光源，照射到10m～20m处时，光斑直径大到20cm以上，能量己经特别分散，故现在倾向于接受激光作为光源。激光是强相干性光源，能量集中，投到500m外，光斑直径仍旧只有100mm。（2）集成度目前，光电开关倾向于接受专用集成电路（ASIC）以提高集成度。接受ASIC的光电开关反应速度快，可达10kHz，抗冲击、振动实力强，抗干扰实力强，符合EMC标准，并能满足小型化、低成本以及规模化生产等要求。但光电开关的维护、参数设置仍旧须要手动进行，一旦更换，还要重新手动设置、校准。因而光电开关通常安装在易于操作的位置，但却不是最佳位置，且安装空间不能太小，这就制约了机器结构、外形、体积的最优化设计。物体检测传感器及接口电路光电传感器是接受光电元件作为检测元件，首先把被测量的光变更转变为信号的变更，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。限制系统可选用对射式光电传感器、镜面反射型光电传感器等传感器作为通道进入检测传感器。对射式光电传感器（1）对射式光电开关传感器的原理对射光电开关内部原理放射器发出的光是经过调制的，经过调制的LED放射器放射确定频率的红外光，接收器的放大器只对该频率的信号响应，这样就有效地解除了背景光等干扰因素。面反射型光电传感器镜面反射型光电开关（见图2-8）集发光器和收光器于一体。从放射器发出的光束在对面的反射镜被反射，当无障碍物遮断光线时，放射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，接收器输出一种状态（如继电器节点闭合）;当有障碍物阻断光线时，接收器输出另一种状态（如继电器节点断开）。反射式光电开关位置检测传感器及接口电路 运动的限位可以是通过光电接近开关和霍尔开关来限制的，通过它们保证物体移动到位后自动停止。2.2.1漫反射光电接近开关传感器 （1）漫反射光电接近开关传感器工作原理霍尔接近开关及接口电路 （1）霍尔开关原理及特点霍尔开关集成传感器属于有源磁/电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用先进的集成电路封装技术和组装工艺制作而成一种磁敏传感器，它可便利地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，以开关信号形式输出。霍尔开关集成传感器具有运用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。霍尔开关电路由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器、开关输出级等5部分组成。霍尔效应当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。位移传感器及功率放大器光电位移传感器 （1）位移传感器的定义位移传感器是一种测量传感器，它利用各种元件检测对象物的物理变更量，通过将该变更量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移。依据运用元件不同，分为光学式位移传感器、线性接近传感器、超声波位移传感器等。图2-15光电位移传感器原理作为传感器的受光元件，运用2比例光电二极管或位置检测元件。通过检测物体反射的投光光束将在受光元件上成像。这一成像位置以依据检测物体距离不同而差异的三角测距原理为检测原理。（2）位移传感器原理与分类光学式位移传感器位置传感检测器PSD方式光源发出的光通过透镜进行聚光，并照射到物体上。物体发出的反射光通过受光透镜集中到一维的位置检测元件（PSD）上。假如物体的位置（距离测定器的距离）发生变更，PSD上成像位置将不同；假如PSD的两个输出平衡发生变更，PSD上的成像位置将不同，PSD的两个输出平衡会再次发生变更。假如将这两个输出作为A、B，计算A/（A＋B），并加工适当的拉线系数k和残留误差C，可求得线性接近传感器超声波位移传感器光电位移传感器组成 光电传感器通常由投光部、受光部、增幅部、限制部、电源部构成，按其构成状态可分为以下几类。（1）放大器分别型（2）放大器内置型（3）电源内置型（4）光纤型光电位移传感器基本要求背景抑制BGS

（BackgroundSuppression）背景抑制是指检测抑制物体背景；前景抑制FGS

（ForegroundSuppression）前景抑制是指检测抑制比正常检测距离近的物体。背景与前景抑制原理一般来说，在检测传输带上物体的状况下，可选择背景抑制BGS和前景抑制FGS两种功能中的任何一个。背景抑制BGS不会对比设定距离更远的背景（传输带）进行检测。前景抑制FGS不会对比设定距离更近的物体（或回到受光器光量少于规定的物体）进行检测传感器有如下特点·可对微小的段差进行检测（BGS、FGS）。·不易受检测物体的颜色影响（BGS、FGS）。·不易受背景物体的影响（BGS）。选用的光电位移传感器位移传感器有多个参数可供实际应用须要进行选择，相应参数描述如下：（1）辨别率（2）直线性（线性）（3）温度特性（4）响应时间激光位移传感器马路路面平整度测量光电编码器的工作原理光电编码器的分类1．确定式光电编码器 光电编码器安装图2．增量式光电编码器 增量编码器的码盘是由明暗相间的条纹所构成，如下图2-19所示。一般来讲同样辨别精度的增量编码器要比确定编码器便宜得多。增量式光电编码器主要用于测量速度增量编码器能依据轴的旋转位移量，输出脉冲列电荷耦合器件CCD与激光测控系统

激光光纤通信光纤总线限制网络系统测量方案激光扫描检测系统是集激光技术、光学技术、计算机技术、精密机械技术、电子技术于一体光机电系统。由激光器，棱镜，反射镜-透镜，光电接收器，信号处理电路，单片机，键盘，数码显示组成。光电接收器的信号输出把LX2-V系列透过式传感头放在电阻的上下方以检测电阻的位置。依据激光光束中断区域的变更来检测双馈电阻或位置不正确的电阻。测量活塞直径LS系列能够测量活塞的外径并精确到次微米的程度。可将两件套扫描头安装在任一生产线上。7.2伺服系统的跟随性能1.检测误差2系统误差7.3伺服系统限制对象的数学模型依据伺服电机的种类，伺服系统可分为直流和沟通两大类，以下分析两种伺服系统限制对象的数学模型，伺服系统限制对象包括伺服电机、驱动装置和机械传动机构。7.3.1直流伺服系统限制对象的数学模型直流伺服电机的数学模型与调速电机无本质的区分，假定气隙磁通恒定，则直流伺服电机的状态方程为E感应电动势，Te电磁转矩，机械传动机构的状态方程为直流伺服系统限制对象结构图7.3.2沟通伺服系统

限制对象的数学模型用沟通伺服电机作为伺服系统的执行电机，称作沟通伺服系统。常用的沟通伺服电机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等。无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢量变换、磁链定向和电流闭环限制均可等效为电流限制的直流电动机，现以三相异步伺服电机为例分析之。异步电动机按转子磁链定向的数学模型为接受转子磁链闭环限制,且转子磁链已达到稳态,则转子磁链等于常数，并设电机极对数=1，则接受电流闭环限制后，并考虑转角与转速的关系，对象的数学模型为7.4伺服系统的设计单环位置伺服系统APR—位置调整器UPE—驱动装置SM—直流伺服电机BQ—位置传感器忽视负载转矩，图7-5的直流伺服系统限制对象结构可简化为图7-8，简化的直流伺服系统限制对象传递函数为选用PD调整器，其传递函数为

（7-14）单位置环限制直流伺服系统结构图简化后系统的开环传递函数 （7-16）系统开环传递函数伯德图见图用Routh稳定判据，可求得系统稳定，2.双环伺服系统电流闭环限制具有抑制起、制动电流，加速电流的响应过程。对于沟通伺服电机，电流闭环还具有改造对象，实现励磁重量和转矩重量的解耦，得到等效的直流电机模型。因此，可以在电流闭环限制的基础上，干脆设计位置调整器，构成位置伺服系统，位置调整器的限幅是电流的最大值，图7-11为双环位置伺服系统结构图，图中以直流伺服系统为例，对沟通伺服系统也适用，对伺服电机和驱动装置应作相应的改动。双环位置伺服系统图7-11双环位置伺服系统忽视负载转矩，图7-6带有电流闭环限制对象的传递函数为APR选用PI调整器，其传递函数为双环位置伺服系统结构图系统的开环传递函数为系统的特征方程式若将APR改用PID调整器，其传递函数为开环传递函数为图7-13为接受PID限制的双环限制伺服系统

开环传递函数伯德图低频段，系统有足够的稳态精度，中频段，保证了系统的稳定性，为了使系统具有确定的稳定裕度，应保证中频段宽度h，高频段，系统具有确定的抗干扰实力。若APR仍接受PI调整器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，在动态性能上略有差异，但不影响系统的稳定3.三环伺服系统在调速系统的基础上，再设一个位置限制环，便形成三环限制的位置伺服系统，如图7-15所示。其中位置调整器APR就是位置环的校正装置，其输出限幅值确定着电机的最高转速。图7-15三环位置伺服系统直流转速闭环限制系统按典型II型系统设计，图7-16为转速环结构图，开环传递函数为图7-16转速环结构图与第2章不同之处是转速用角速度表示，传递函数中参数的物理意义相同，但参数值略有不同。对于沟通伺服电机，假定磁链恒定，则矢量限制系统简化结构如图7-17所示，其中转速调整器ASR接受PI调整器，，

图7-17矢量限制系统结构示意图开环传递函数为与式（7-33）的结构完全相同。因此，以下的设计方法对直流和沟通伺服系统都适用由式（7-33）导出转速闭环传递函数再加上转角与转速的传递函数，构成位置环的限制对象，见图7-18。位置环的限制对象结构图位置闭环限制结构图位置环限制对象的传递函数位置闭环限制结构图如图7-19所示，其中，APR是位置调整器。开环传递函数其中，位置调整器的传递函数为图7-19位置闭环限制结构图由于限制对象在前向通道上有一个积分环节，当输入为阶跃信号时，APR选用P调整器就可实现稳态无静差，则系统的开环传递函数可改写为其中，是调整器的比例系数，是系统的开环放大系数。伺服系统的闭环传递函数为系统的特征方程式用Routh稳定判据，可求得系统的稳定条件，h为中频段宽度，则式（7-41）可改写为当输入为速度信号时，APR选用PI调整器才能可实现稳态无静差，限制系统结构更加困难。多环限制系统调整器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环的调整器。逐环设计可以使每个限制环都是稳定的，从而保证了整个限制系统的稳定性。当电流环和转速环内的对象参数变更或受到扰动时，电流反馈和转速反馈能够起到刚好的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。同时，每个环节都有自己的限制对象，分工明确，易于调整。但这样逐环设计的多环限制系统也有明显的不足，即对最外环限制作用的响应不会很快，因为，转矩的调整需经过三个调整器。7.4.4复合限制的伺服系统无论是多环还是单环伺服系统，都是通过位置调整器APR来实现反馈限制的。这时，给