【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵 。 2. 數(shù)字伺服系統(tǒng)的類型 ?????全數(shù)字型系統(tǒng)數(shù)字模擬混合型數(shù)字型系統(tǒng) ?????全軟件型系統(tǒng)半軟件型系統(tǒng)全硬件型系統(tǒng) 全硬件伺服系統(tǒng) 全硬件伺服系統(tǒng)又稱脈沖比較伺系統(tǒng) ， 其典型的組成方式如圖所示： _ NC裝 置 － F/V 偏差 計(jì)數(shù)器 D/A 速度控制與 驅(qū)動(dòng)單元 A、 B、 Z + + _ + + － 整形 .倍頻 .辨向 工作臺(tái) PG 電機(jī) Z 構(gòu)成： 該系統(tǒng)中 ， 位置閉環(huán)的控制與調(diào)節(jié)運(yùn)算主要由偏差計(jì)數(shù)器（ 一般為可逆計(jì)數(shù)器 ） 和 D/A完成 。 柔性差： 系統(tǒng)全由硬件構(gòu)成 ， 使得它的各調(diào)節(jié)器參數(shù)在機(jī)電聯(lián)調(diào)整定后就固定下來了 ， 不易改變 ， 這對負(fù)載慣量變化不大的位置伺服系統(tǒng) （ 如車床刀架進(jìn)給控制 ） ， 可獲得滿意的控制性能指 。而對某些負(fù)載慣量較大的系統(tǒng) ， 則很難在整個(gè)范圍內(nèi) （ 負(fù)載慣量變化 ） 都獲得滿意的控制效果 。 零漂將影響精度： 這類系統(tǒng)依靠 D/A， 將位置調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電壓作速度指令信號(hào)。提供給速度伺服單元，因此，其零點(diǎn)漂移將影響定位精度。 半軟件型伺服系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的位置控制采用軟硬件組成 ， 速度控制仍采用模擬方式 ， 系統(tǒng)組成如圖所示： + 調(diào)節(jié)運(yùn)算 零漂補(bǔ)償 硬件 速度控 制與驅(qū) 動(dòng)單元 D/A 軟件 位置控制 Z A、 B D0 + + F/V 倍頻 計(jì)數(shù)器 工作臺(tái) PG 電機(jī) + DA V1 △ S V0 U0 UA △ D △ U 實(shí)際位置計(jì)算 △ DA 指令位置計(jì)算 △ D0 / n Z 位置控制的軟件現(xiàn)可以由 NC裝置的 CPU實(shí)現(xiàn) ， 也可以由位置控制板上自帶的 CPU實(shí)現(xiàn) 。 位置控制的調(diào)節(jié)運(yùn)算部分由軟件實(shí)現(xiàn) ， 增加了靈活性： 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過進(jìn)行修改 、 設(shè)定 調(diào)節(jié)算法可以采用較復(fù)雜的算法 ， 以提高控制性能 （ 變結(jié)構(gòu) 、變增益 ） 可增加許多輔助功能 （ 故障診斷 、 脈沖當(dāng)量變換等 ） 零點(diǎn)漂移可通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償 由于這種系統(tǒng)的速度單元仍是模擬型的，全硬件型系統(tǒng)中存在的問題并未明顯解決，如它的內(nèi)環(huán)參數(shù)（速度、電流）和位置環(huán)中 D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)依然是固定的。因此難以兼顧負(fù)載慣量大的變化。不過，由于利用軟件采用一些補(bǔ)償措施，這就使得半軟件位置伺服系統(tǒng)的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系統(tǒng)。 全軟件位置伺服系統(tǒng) 這種系統(tǒng)是指除電流環(huán)仍為模擬結(jié)構(gòu)外 ， 位置 、 速度控制均由微機(jī)通過控制軟件來實(shí)現(xiàn) ， 系統(tǒng)組成如圖所示： NC系統(tǒng) 微機(jī) 位置、速度 控制 (D/A輸出 ) 模擬電流 控制與功放 整形 .信頻 .辨向 A、 B Z 工作臺(tái) PG 電壓 圖中的微機(jī)位置 、 速度控制既可以是單微機(jī) ， 又可以是雙微機(jī) （ 一個(gè)是位置控制 ， 另一個(gè)是速度控制 ） 。 不過系統(tǒng)中的微機(jī)常由單片機(jī)來構(gòu)成 。 由于微機(jī)的應(yīng)用 ， 使系統(tǒng)的控制更加靈活 ， 其特點(diǎn)是： 位置 、 速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以按工作環(huán)境自動(dòng)進(jìn)行切換 ， 使之適應(yīng)負(fù)載變化的能力顯著增強(qiáng) ， 應(yīng)用優(yōu)化理論還可使調(diào)節(jié)器的參數(shù)自動(dòng)化 ， 使系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行機(jī)械 ， 通用化程度大大提高 。 其余同半軟件型系統(tǒng) 。 這種系統(tǒng)的輸出通過 D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓作為電流指令送往模擬電流環(huán) ， 這樣 ， 模擬量的零點(diǎn)漂移只會(huì)使電流指令產(chǎn)生微小的變化 ， 一般這種變化不足以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的力矩 ， 也不會(huì)對位置控制精度產(chǎn)生不良影響 。 由于電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)還是固定的 ， 所以還不能通過微機(jī)改變控制策略 ， 以獲得較理想的控制效果 。 由于該系統(tǒng)工作可靠 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 控制性能也優(yōu)于前述兩種系統(tǒng) ，使得它在 80年代中期以來的交 、 直流位置伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品中逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位 ， 成為位置伺服系統(tǒng)的首選方案 。 全數(shù)字位置伺服系統(tǒng) 自以軟件位置伺服系統(tǒng)誕生以來 ， 人們就一直致力于用軟件盡可能多地去取代硬件的工作 ， 以降低成本 ，提高性能 。 隨著可直接用邏輯電平控制通斷的電子半導(dǎo)體器件 —— 功率晶體管 ， 功率場率應(yīng)管的商品化 ，以及高性能單片機(jī)的出現(xiàn) ， 使得全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí) 。 NC裝置 單片微機(jī) 位置 速度 電流控制 (PWM輸出 ) 晶體管 放大器 電流檢測 整形 .信頻 .辨向 工作臺(tái) PG 電壓 一種全數(shù)字、采用脈寬調(diào)制（ PWM—— pulse width modulation） 控制的位置伺服系統(tǒng)如下圖所示 。 系統(tǒng)的所有控制調(diào)節(jié)全部由軟件完成 ， 最后直接輸出邏輯電平的脈寬調(diào)制控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率晶體管放大器 ， 對伺服電機(jī)進(jìn)行控制 ，完成位置控制任務(wù) 。 調(diào)節(jié)器的全部軟件化使控制理論中的許多控制思想和手段 ， 包括經(jīng)典的 、 現(xiàn)代的 、 智能的等新型的控制方法都可以衩方便地引進(jìn)來 ， 例如：魯棒控制 、 自適應(yīng)控制 、 變參數(shù)控制 、 變結(jié)構(gòu)控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 、 模糊控制 、 專家系統(tǒng)控制等等 。 還可以完成參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化和故障的自動(dòng)診斷等 ， 使系統(tǒng)控制性能能進(jìn)一步得到提高 。 3. 典型閉環(huán)伺服系統(tǒng)示例 以半軟件型位置伺服系統(tǒng)為例 + 調(diào)節(jié)運(yùn)算 零漂補(bǔ)償 硬件 速度控 制與驅(qū) 動(dòng)單元 D/A 軟件 位置控制 Z A、 B D0 + + F/V 倍頻 計(jì)數(shù)器 工作臺(tái) PG 電機(jī) + DA V1 △ S V0 U0 UA △ D △ U 實(shí)際位置計(jì)算 △ DA 指令位置計(jì)算 △ D0 / n Z 這里僅介紹位置控制單元，速度控制前面已介紹了 位置控制軟件部分的任務(wù)： 指令位置計(jì)算（含反向間隙、螺距誤差補(bǔ)償、限位處理） 實(shí)際位置計(jì)算（反饋累積） 跟隨誤差計(jì)算 調(diào)節(jié)運(yùn)算 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償 指令位置計(jì)算 （ 反向間隙 、 螺距誤差補(bǔ)償 、 限位處理 ） ： 開始 )( eB000 nDDD ?????????m a xm i n DDD 0 ??超程報(bào)警處理 執(zhí)行下一個(gè)任務(wù) N Y 實(shí)際位置計(jì)算（反饋累積） 跟隨誤差計(jì)算 調(diào)節(jié)運(yùn)算 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償 AAA DDD ????A0 DDD ???? ?DfV 1 ??SVV 10 ???硬件部分的任務(wù) 系 統(tǒng) 總 線 數(shù) 字 接 口 計(jì) 數(shù) 器 鎖 存 器 光 電 隔 離 器 件 D/A 轉(zhuǎn)換器 方向控制與 功率放大 頻率 /電壓（ F/V） 轉(zhuǎn)換電路 方向控制與 功率放大 展寬 選通 電路 反饋脈沖倍頻電路 幅值比較電路 位置反饋脈沖 速度反饋電壓 速度指令電壓 CK A B Z Q U0 A A* B B* Z Z* UA Z V0 + △ DA + 第五節(jié) 伺服系統(tǒng)性能分析 前面各節(jié)我們重點(diǎn)討論了進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成原理與實(shí)現(xiàn)方法，然而該系統(tǒng)要能真正實(shí)現(xiàn)預(yù)期的快速、準(zhǔn)確及平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)的要求，一個(gè)重要的問題是如何根據(jù)要求，進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)試。例如，開環(huán)增益，阻尼系數(shù)等參數(shù)對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度與動(dòng)態(tài)性能影響很大，這將是本節(jié)討論的重點(diǎn) 一 . 控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù) R(S)— 輸入信號(hào) C(S)— 輸出信號(hào) E(S)— 偏差信號(hào) M(S)— 控制量 B(S)— 反饋信號(hào) N(S)— 噪聲信號(hào) G1(S)— 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù) G2(S)— 被控對象傳遞函數(shù) H(S)— 反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù) G1(S) G2(S) H(S) R(S) B(S) E(S) N(S) M(S) C(S) + + + 開環(huán)傳遞函數(shù)：反饋與偏差之比 閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸入與輸出之比 干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸出與噪聲之比 系統(tǒng)誤差的函數(shù)：偏差與輸入之比 ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?SHSGSGSE SBSG 21K ??? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?SG1 SGSGSHSGSG1 SGSGSR SCSGK212121B ?????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ?SG1 SGSHSGSG1 SGSN SCSGK2212N ?????? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?SG1 1SHSGSG1 1SR SESGK21N ?????二、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù) 閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)： 位置控制 調(diào)節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng) 位置檢測單元 位置控制單元 速度控制單元 + + － 電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 CNC插補(bǔ) 指令 Ug Up U θm θD XD 速度檢測裝置 m?XA XC XD △ D 1. 位置控制單元的數(shù)學(xué)模型 位置控制單元是以 XC為輸入以 UP為輸出的一個(gè)控制環(huán)節(jié)，位置調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)，放大系數(shù)為 KN， 則有： 取拉氏變換得： 結(jié)構(gòu)框圖： ? ? ? ?0fPCNACNNP XKXKXXKDKU ??????? ? ? ? ? ?? ?SXKSXKSU 0fPCNP ??KN KfP + － X0 XA XC Up 2. 速度控制單元的數(shù)學(xué)模型 速度控制單元是以指令電壓 UP 為輸入，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓 U為輸出的控制環(huán)節(jié)，速度調(diào)節(jié)器通常采用 PI調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)放大是比例環(huán)節(jié)，若忽略非線性和滯后特性的影響，可視它們?yōu)楸壤h(huán)節(jié)，則傳遞函數(shù)為 KA ， 速度反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 KV ， 則有： 取拉氏變換得： 結(jié)構(gòu)框圖： ? ? ?????? ???? ? ? mVPAGPA KUKUUKU? ? ? ?? ?sSKSUKU mVPA ???KA SKV + － UG UP U m?△ U 3. 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 直流伺服電機(jī)是以驅(qū)動(dòng)電壓 U為輸入，電機(jī)的角位移?m為輸出的變換環(huán)節(jié)，其數(shù)字模型是根據(jù)電機(jī)電樞電勢平和電機(jī)轉(zhuǎn)矩衡方程導(dǎo)出的 LRmmmmm Mkk1kTU ????? ???式中： Tm=RaJ a/ KeKT 電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù) Km=1 / Ke