《闭环伺服系统设计》PPT课件

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1、闭环控制的伺服系统设计朱燕平一闭环伺服系统的构成闭环系统是负反馈控制系统。检测元件将执行部件的位移、转角、速度等量转变成电信号，反馈到系统的输入端并与指令进行比较，得出误差信号的大小，然后按照减小误差的方向控制驱动电路，直到误差减小到零。反馈元件一般精度比较高，很多误差都可以得到补偿，提高了系统的跟随精度和和定位精度。根据检测元件的安装位置，闭环系统分为全闭环和半闭环两种。全闭环，半闭环系统比较位置检测元件直接安装在最位置检测元件安装在传动链后的移动部件上，形成全闭某一部位，就形成了半闭环环系统。系统。误差可以得到补偿，精度

2、高，环外传动误差得不到补偿，但易造成系统动荡，不稳定。精度降低，构造简单，稳定下面这个系统是一种教学和实验使用的X-Y轴全闭环交流伺服运动控制系统。系统由四个部分组成（图1）：（1）上位控制部分包括通用PC机、ADT850运动控制卡；（2）松下MINASA4系列交流伺服驱动器和交流伺服电机组成驱动部分；（3）负载部分为X-Y轴滚珠丝杠平台；（4）闭环反馈部分由光栅尺和数据采集卡来实现。闭环系统适合于高精度和大负载的系统，系统设计比开环复杂。设计步骤类似。因为半闭环应用广泛，下面讨论的系统都是半闭环系统。图为一半闭环数控机床进

3、给系统的图，采用滚珠丝杠螺母副传动，丝杠轴向支承选用推力轴承径向采用滑动轴承，伺服电动机驱动。位置反馈不直接检测工作台的位置量，而是直接采用转角位移检测元件（如光栅等），检测伺服电机或丝杠转角，反馈到控制装置中进行位置比较，用差值进行控制。二闭环伺服系统的设计（1）伺服元件的选型执行元件选型执行元件其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化如用来作为执行元件的电动机，液压马达等。大型伺服系统中常采用液压伺服马达；中小型，则多采用交、直流伺服电机。一般直流伺服系统选用永磁直流伺服电机；动作快速、功率较大的选用无槽电枢直流伺服

4、电机；需要快速动作的选用空心杯电枢直流伺服电机；低速运行和启动、正反转频繁的系统则选用印制绕组直流伺服电机。交流伺服技术的发展使其不仅具有直流伺服电机那样的优良静、动态性能，并且具有无电刷磨损、维修方便、价格便宜等优点，在大、中型功率的伺服系统中有逐步取代直流的趋势。交流伺服电机分同步型和异步型交流伺服电机两种。同步型交流伺服电机常用于位置伺服系统，如数控机床进给系统，机器人关节伺服系统及其他机电一体化产品的运动控制，包括点位控制和连续轨迹控制。常见的功率范围是数十瓦到数千瓦，个别的达到数十千瓦，异步型伺服电机主要用于需要以

5、恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中，如数控机床的主轴系统驱动，常见的功率范围是数千瓦以上。交流伺服电机图检测元件的选型闭环伺服系统通常是位置环、速度环、电流环三环联合的反馈系统。速度环指的是速度反馈系统；位置环指的是位置反馈系统电流环指的是电流反馈系统.环,指的是伺服系统中反馈信号接受与处理的环节常见的有PMSM（永磁同步电动机）位置伺服系统检测元件的选择就是位置和速度传感器。常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅尺、磁尺等。如被测量为直线位移，则应选直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等

6、。如被测量为角位移，则应选取圆形的角位移传感器，如光电编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。一般来讲，半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器，全闭环控制的伺服系统主要采用直线位移传感器。选择传感器还应考虑结构空间及环境条件等的影响。在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。交、直流伺服电机常用的速度传感器为测速发电机。目前在半闭环伺服系统中常采用光电编码器，同时测量电机的角位移和转动速度。伺服系统静态设计伺服系统的静态设计主要包括确定执行元件（电机）的型号和参数

7、、传动结构的传动方式和传动比、检测元件的参数等。伺服系统的动态设计动态分析主要是在伺服系统的控制方案，静态参数确定后，需要提取系统的数学模型，分析系统动态性能指标，常用的方法有时域分析法，根轨迹法和频域分析法。常用的方法是开环频域特性法，频域的相对稳定性即稳定裕度常用相角裕度r和幅值裕度h来度量。1相角裕度rWc为系统的截止频率设A（wc）=｜G(jwc)H(jwc)｜=1截止频率定义定义相角裕度为r=180º+∠G（jωc）H(ωc)其含义是，对于闭环稳定的系统，如果系统开环相频特性再滞后r度，系统将处于临近稳定状态。2幅

8、值裕度设Wx为系统的穿越频率Φ（wx)=∠G（jωc）H(ωc)=(2k+1)π;k=0,±1......定义幅值裕度为h=幅值裕度含义是，对于闭环稳定系统，如果系统开环幅频特性再增大h倍，则系统将处于临界稳定状态。复平面中相角裕度和幅值裕度这里引用了稳定，临界稳定，不稳定的概念。涉及