【文章內容簡介】 獲得滿意的控制性能指。而對某些負載慣量較大的系統(tǒng)，則很難在整個范圍內（負載慣量變化）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，將位置調節(jié)輸出的數(shù)字量轉化成模擬電壓作速度指令信號。提供給速度伺服單元，因此，其零點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實現(xiàn)，也可以由位置控制板上自帶的CPU實現(xiàn)。位置控制的調節(jié)運算部分由軟件實現(xiàn)，增加了靈活性：調節(jié)器的參數(shù)可以通過進行修改、設定調節(jié)算法可以采用較復雜的算法，以提高控制性能（變結構、變增益）可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當量變換等）零點漂移可通過軟件進行補償由于這種系統(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，如它的內環(huán)參數(shù)（速度、電流）和位置環(huán)中D/A轉換器的位數(shù)依然是固定的。因此難以兼顧負載慣量大的變化。不過，由于利用軟件采用一些補償措施，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)仍為模擬結構外，位置、速度控制均由微機通過控制軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)組成如圖所示：圖中的微機位置、速度控制既可以是單微機，又可以是雙微機（一個是位置控制，另一個是速度控制）。不過系統(tǒng)中的微機常由單片機來構成。由于微機的應用，使系統(tǒng)的控制更加靈活，其特點是：⑴位置、速度調節(jié)器的結構和參數(shù)可以按工作環(huán)境自動進行切換，使之適應負載變化的能力顯著增強，應用優(yōu)化理論還可使調節(jié)器的參數(shù)自動化，使系統(tǒng)可驅動不同的執(zhí)行機械，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，模擬量的零點漂移只會使電流指令產生微小的變化，一般這種變化不足以產生驅動伺服電機運動的力矩，也不會對位置控制精度產生不良影響。由于電流環(huán)的結構和參數(shù)還是固定的，所以還不能通過微機改變控制策略，以獲得較理想的控制效果。由于該系統(tǒng)工作可靠，結構緊湊，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)的產品中逐漸占據了主導地位，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體器件——功率晶體管，功率場率應管的商品化，以及高性能單片機的出現(xiàn)，使得全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)成為現(xiàn)實一種全數(shù)字、采用脈寬調制（PWM——pulse width modulation）控制的位置伺服系統(tǒng)如下圖所示。系統(tǒng)的所有控制調節(jié)全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平的脈寬調制控制信號驅動功率晶體管放大器，對伺服電機進行控制，完成位置控制任務。調節(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來，例如：魯棒控制、自適應控制、變參數(shù)控制、變結構控制、神經網絡控制、模糊控制、專家系統(tǒng)控制等等。還可以完成參數(shù)的自動優(yōu)化和故障的自動診斷等，使系統(tǒng)控制性能能進一步得到提高 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：指令位置計算（含反向間隙、螺距誤差補償、限位處理）實際位置計算（反饋累積）跟隨誤差計算 調節(jié)運算 零點漂移補償指令位置計算（反向間隙、螺距誤差補償、限位處理）：實際位置計算（反饋累積）跟隨誤差計算調節(jié)運算零點漂移補償硬件部分的任務第五節(jié) 伺服系統(tǒng)性能分析前面各節(jié)我們重點討論了進給伺服系統(tǒng)的組成原理與實現(xiàn)方法，然而該系統(tǒng)要能真正實現(xiàn)預期的快速、準確及平穩(wěn)驅動的要求，一個重要的問題是如何根據要求，進行閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)設計和調試。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)精度與動態(tài)性能影響很大，這將是本節(jié)討論的重點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、進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù) 閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的一般結構：位置控制單元是以XC為輸入以 UP為輸出的一個控制環(huán)節(jié)，位置調節(jié)器一般采用比例調節(jié)，放大系數(shù)為KN，則有：取拉氏變換得： 結構框圖：速度控制單元是以指令電壓UP 為輸入，電機的驅動電壓U為輸出的控制環(huán)節(jié)，速度調節(jié)器通常采用PI調節(jié)，驅動放大是比例環(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：結構框圖：直流伺服電機是以驅動電壓U為輸入，電機的角位移qm為輸出的變換環(huán)節(jié)，其數(shù)字模型是根據電機電樞電勢平和電機轉矩衡方程導出的（參見參考書P127~ P128）：式中： Tm=RaJ a/ KeKT 電機的機械時間常數(shù) Km=1 / Ke 電機的增益系數(shù) KR=Ra / KT拉氏變換得：結構框圖：由此可知：電機輸出的角位移由兩部分組成，一是無負載時由控制U(S)的激勵而產生的輸出，另一部分是由負載的擾動產生的輸出。而且經適當?shù)暮喕?，直流伺服電機可視為一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。機械傳動與執(zhí)行單元的輸入為電機的角位移θm，輸出為工作臺的線位移X0，其機械系統(tǒng)力平衡方程為：拉氏變換：結構框圖：由此可知，機械系統(tǒng)可視為一個二階振動環(huán)節(jié)。由圖可知：X0 是對XC 和FD 兩個激勵的響應，根據疊加原理，可先分別求出每個激勵單獨作用的響應，然后進行疊加。當FD=0時，僅有XC 激勵的傳遞系數(shù)當XC , FD同時激勵時系統(tǒng)的響應三、進給伺服系統(tǒng)的性能分析 KS(開環(huán)增益，速度增益)KS 是進給伺服系統(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)進行一些簡化： 假設上述各環(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進給伺服系統(tǒng)的輸入通常是斜坡激勵： KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響討論：KS 與輸出速度當KS ↑時，高。的關系到達 F 所需的時間越短，系統(tǒng)的響應加快，靈敏度增 KS 與系統(tǒng)的加速度的關系 當KS ↑ 時，系統(tǒng)的加速度增大，尤其是在剛啟動時，它使系統(tǒng)的響應加快，但對系統(tǒng)的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統(tǒng)，將產生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統(tǒng)超調，引起系統(tǒng)失穩(wěn)。KS 與跟隨誤差△D 的關系。在工程調試中，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：分別是電機的輸出轉矩和負載轉矩； GDmGDL2：分別是電機轉子和負載等效飛輪慣量 數(shù)控系統(tǒng)中 KS的設定方法 由前面的推導可知：KN ：位置環(huán)增益； KA ：速度環(huán)增益Km ：電機增益 L / 2π：機械系統(tǒng)增益其中： KA、Km、L / 2π 在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)選定后便確定了，而 KN 是作為可調參數(shù)，允許用戶根據具體情況選定，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行的，即無負載力（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： ，如采用滾動傳動取代滑動。、KA，其實質增大KS(在系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內)。（=Ra / KT），即選擇 KT 存在的伺服電機。，要盡可能增大傳動機構的剛度K，這是因為當K較小