【文章內(nèi)容簡介】 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：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：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：⑴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。⑵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)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 以半軟件型位置伺服系統(tǒng)為例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）：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)償硬件部分的任務(wù)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)u開環(huán)傳遞函數(shù)：反饋與偏差之比u閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸入與輸出之比u干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸出與噪聲之比u系統(tǒng)誤差的函數(shù)：偏差與輸入之比二、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：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：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qm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（參見參考書P127~ P128）：式中： Tm=RaJ a/ KeKT 電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù) Km=1 / Ke 電機(jī)的增益系數(shù) KR=Ra / KT拉氏變換得：結(jié)構(gòu)框圖：由此可知：電機(jī)輸出的角位移由兩部分組成，一是無負(fù)載時(shí)由控制U(S)的激勵(lì)而產(chǎn)生的輸出，另一部分是由負(fù)載的擾動(dòng)產(chǎn)生的輸出。而且經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喕?，直流伺服電機(jī)可視為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行單元的輸入為電機(jī)的角位移θm，輸出為工作臺(tái)的線位移X0，其機(jī)械系統(tǒng)力平衡方程為：拉氏變換：結(jié)構(gòu)框圖：由此可知，機(jī)械系統(tǒng)可視為一個(gè)二階振動(dòng)環(huán)節(jié)。由圖可知：X0 是對XC 和FD 兩個(gè)激勵(lì)的響應(yīng)，根據(jù)疊加原理，可先分別求出每個(gè)激勵(lì)單獨(dú)作用的響應(yīng)，然后進(jìn)行疊加。當(dāng)FD=0時(shí)，僅有XC 激勵(lì)的傳遞系數(shù)當(dāng)XC , FD同時(shí)激勵(lì)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能分析 KS(開環(huán)增益，速度增益)KS 是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，為了說明其物理意義，可對上述系統(tǒng)進(jìn)行一些簡化： 假設(shè)上述各環(huán)節(jié)均是理想的，即各環(huán)節(jié)均是無慣量，無阻尼，剛度為無窮大，且無速度環(huán)，則：v進(jìn)給伺服系統(tǒng)的輸入通常是斜坡激勵(lì)： KS對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響討論：KS 與輸出速度當(dāng)KS ↑時(shí)，高。的關(guān)系到達(dá) F 所需的時(shí)間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)加快，靈敏度增 KS 與系統(tǒng)的加速度的關(guān)系 當(dāng)KS ↑ 時(shí)，系統(tǒng)的加速度增大，尤其是在剛啟動(dòng)時(shí)，它使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，但對系統(tǒng)的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統(tǒng)，將產(chǎn)生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統(tǒng)超調(diào)，引起系統(tǒng)失穩(wěn)。KS 與跟隨誤差△D 的關(guān)系。在工程調(diào)試中，KS 可按下列方式初選： KS的初選方法 KS↑→ △D↓ 即：有利于提高系統(tǒng)的跟隨精度。結(jié)論： KS的選擇，要綜合考慮，折衷選取，才能獲得優(yōu)良的綜合性能。Mm、ML：分別是電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩； GDmGDL2：分別是電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載等效飛輪慣量 數(shù)控系統(tǒng)中 KS的設(shè)定方法 由前面的推導(dǎo)可知：KN ：位置環(huán)增益； KA ：速度環(huán)增益Km ：電機(jī)增益 L / 2π：機(jī)械系統(tǒng)增益其中： KA、Km、L / 2π 在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)選定后便確定了，而 KN 是作為可調(diào)參數(shù)，允許用戶根據(jù)具體情況選定，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速度性的要求。定位精度的檢查通常是在空載的情況進(jìn)行的，即無負(fù)載力（Fc =0）。只有摩擦力，而且系統(tǒng)接受的是階躍位置指令，即：閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差為：半閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差由 可知，為減小定位誤差可采用下列措施： ，如采用滾動(dòng)傳動(dòng)取代滑動(dòng)。、KA，其實(shí)質(zhì)增大KS(在系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內(nèi))。（=Ra / KT），即選擇 KT 存在的伺服電機(jī)。，要盡可能增大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度K，這是因?yàn)楫?dāng)K較小