机电一体化原理第5章..doc

第五章 机械运动驱动与控制系统 5.1 机电一体化系统的基本单元分析 5.1.1 机械运动的驱动与控制 机械运动的驱动与控制系统是机电一体化系统的基本单元。图5-1为机械运动的驱动与控制系统的基本组成框图。 图5-1 机械运动的驱动与控制系统基本组成框图 图5-2 用速度指令方式的定位伺服系统组成图 如图5-2以定位工作台为例，速度指令按照左图所示的模式给出，实际的输出速度根据直接联结在电机轴上的TG（tachogenerator，测速发电机，一种速度传感器）测出的角速度算出。指令速度与实际速度之差为速度偏差。速度控制器就是要使得该偏差保持为零。速度控制器对电机发出的动作指令经过电机驱动器转换成可以驱动电机的电力信号驱动伺服电机转动。这种控制方式是半闭环控制方式，反馈的是电机轴转速，并不是直接反馈滚珠丝杆输出的工作台平移速度。滚珠丝杆随电机的旋转而移动，移动量是电机轴转速的积分值。理论上的输出与输入的关系如图5-3所示。 机械运动的控制有恒值控制、伺服控制和顺序（过程）控制。伺服控制是比较典型和常见的控制方式。 定义：伺服系统——把物体的位置、方位、姿势等作为控制（输出）量，追随目标（输入）值随时间的任意变化，如此构成的自动控制系统。 图5-4是伺服系统的原理示意图。负荷（回转物体）的转角θ2追随输入手柄的转角θ1。系统主要由2个电位器（1）和（2），直流放大器，伺服电机，回转负荷组成。电位器的动作原理与转动式可变电阻相同，2个电位器的作用是检测出目标值θ1和负荷的转角θ2。输入为幅值为1的阶梯信号，目标值θ1和负荷的转角θ2出现偏差时，与该差值成正比的电压e（=e1-e2）加到了直流放大器（放大率k）上，放大了k倍的电压em（=ke）驱动伺服电机向差值减少的方向旋转。伺服电机的转动被电位器（2）的转角θ2所反映，当到达目标状态（θ1=θ2）时，e1=e2，即em=0，伺服电机停止，控制目的达到。其间信号θ1、e、em、θ2的变化情况见图中的小图。 图 5-4 伺服系统 图5-5 伺服系统的框图 图5-4所表示的伺服系统可以用框图来表示，如图5-5。电机是伺服系统的主要构成要素，传感器随时检测出控制量的变化，并将该变化转换成电信号反馈给输入端。控制器由进行控制算法运算的运算处理电路（信号处理电路）和进行电力驱动的驱动电路（功放）组成，主要功能是调节电机的动作。控制对象是负荷。 图5-6是多轴联动控制系统（一般称作NC，数控）组成模型图。上位计算机向伺服控制系统的各轴并行的发送指令，指令的内容因系统而异，大体分为位置指令、速度指令和力矩指令。各指令的内容做成伺服控制系统容易响应的形式（如阶梯图形指令），需要做插补运算的也在上位编入指令。计算机数控系统在工作时实时地观测各轴的动作，检查轴间的干涉，实时进行指令修正和伺服控制器模式变更。 图5-6 多轴伺服控制系统的组成图 模拟控制和数字控制 图5-7是数字伺服的原理图。所谓数字伺服是指用数字伺服控制器驱动连续系统控制对象的方式。 图5-7 数字伺服控制电路的标准框图 现代控制器基本以数字信号处理为主。复杂的控制运算如果采用模拟量处理则非常困难。另外，控制器如果全部采用模拟电路制作则体积很大。数字控制有利于小型化、轻量化和省电化。所谓数字化就是把连续的模拟信号每隔一定时间采样的结果（此即A/D转换）。一般会导致信号所带信息量减少。所以数字控制器有时会失去模拟控制器的优点。由于数字化的处理，控制响应会有些许滞后。 数字伺服的主要优点在于： 能实现可编程伺服，或者说是软件伺服。在不变更硬件的情况下，只变更软件，就能很容易的实现种种控制功能。（柔性） 可以充分利用计算机的存储和高速运算能力，简便的达到高精度、高性能。 可以使用精密的数字测量系统。 没有噪音信号和信号漂移。 实际工程控制对象，包括电机在内都是连续系统，所以在考虑控制算法时用连续系统理论更容易理解。把作为连续控制系统考虑的伺服系统动特性用数字控制器实现，这就叫“数字化再设计”。 系统的动特性 伺服系统总是希望输出信号能尽可能高速、高精度的追随给定的输入信号。输入信号与输出信号的关系取决于系统的动特性。动特性是由电机和负荷的物理特性决定的。动特性分两种情况：过渡特性和频率特性。图5-8为系统阶跃响应和频率响应。 图5-8 电机的阶跃响应和频率响应 过渡特性 现实系统中，输出（响应）很难迅速追随输入（目标值）的变化，一般都要经历一段时间（延迟）才能达到目标值。 图5-9为伺服系统的响应例。从图中可以明显看出延迟。阶跃响应是考察系统随目标而变化特性（过渡特性）的典型方法，广泛用于部件和整台机器的特性实验。在一段延迟之后系统逐渐趋向于稳定状态。造成延迟的机械因素有惯性、摩擦和弹性，它是由机械系统3要素，质量