【文章內(nèi)容簡介】 ⑶對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。⑷在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產(chǎn)生漂移誤差。⑸位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整困難，適應(yīng)負(fù)載變化的能力較差。模擬系統(tǒng)這種本質(zhì)缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代。數(shù)字型系統(tǒng)：特征：這類系統(tǒng)是指至少其位置環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字控制技術(shù)，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號 改用數(shù)字信號（邏輯電平脈沖信號）的系統(tǒng)。特點：⑴可以通過增加數(shù)字信息的字長，來滿足要求的控制精度。⑵對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應(yīng)，零點定位精度可以得到充分保證。⑶容易對其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修改（根據(jù)控制要求），且易于與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。⑷噪聲峰值大于邏輯電平時，對數(shù)據(jù)的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)致命的危害。⑸傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。抑制干擾、防止數(shù)據(jù)出錯，是數(shù)字伺服系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵 全硬件伺服系統(tǒng)全硬件伺服系統(tǒng)又稱脈沖比較伺服系統(tǒng)，其典型的組成方式如圖所示構(gòu)成：該系統(tǒng)中，位置閉環(huán)的控制與調(diào)節(jié)運算主要由偏差計數(shù)器（一般為可逆計數(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。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(diào)節(jié)運算部分由軟件實現(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)（一個是位置控制，另一個是速度控制）。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)自動化，使系統(tǒng)可驅(qū)動不同的執(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，模擬量的零點漂移只會使電流指令產(chǎn)生微小的變化，一般這種變化不足以產(chǎn)生驅(qū)動伺服電機(jī)運動的力矩，也不會對位置控制精度產(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)的實現(xiàn)成為現(xiàn)實一種全數(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)制控制信號驅(qū)動功率晶體管放大器，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)的自動優(yōu)化和故障的自動診斷等，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)：指令位置計算（含反向間隙、螺距誤差補(bǔ)償、限位處理）實際位置計算（反饋累積）跟隨誤差計算 調(diào)節(jié)運算 零點漂移補(bǔ)償指令位置計算（反向間隙、螺距誤差補(bǔ)償、限位處理）：實際位置計算（反饋累積）跟隨誤差計算調(diào)節(jié)運算零點漂移補(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)我們重點討論了進(jìn)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(yù)期的快速、準(zhǔn)確及平穩(wěn)驅(qū)動的要求，一個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(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)載時由控制U(S)的激勵而產(chǎn)生的輸出，另一部分是由負(fù)載的擾動產(chǎn)生的輸出。而且經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喕螅绷魉欧姍C(jī)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(jī)械傳動與執(zhí)行單元的輸入為電機(jī)的角位移θm，輸出為工作臺的線位移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(yīng)，根據(jù)疊加原理，可先分別求出每個激勵單獨作用的響應(yīng)，然后進(jìn)行疊加。當(dāng)FD=0時，僅有XC 激勵的傳遞系數(shù)當(dāng)XC ,