伺服原理及运动控制介绍2017

伺服原理及运动控制介绍伺服原及运动控制介绍北京慧摩森电子系统技术有限公司秦皇岛海纳科技开发有限公司秦皇岛海纳科技开发有限公司1第一单元：伺服基本原理第单元：伺服基本原理概述概述线性系统线性系统伺服控制系统三环设计相关概念相关概念2一、概述、概述1什是制系1、什么是运动控制系统以运动为控制目标的自动控制系统以运动为控制目标的自动控制系统；为此，它要解决两个问题：动力的传输，机器与设备的控制备的控制；应用领域民用：自动封装、机械制造、航空航天、交通运输、石油化工、家用电器；军用武器控制如导弹火炮军用：武器控制，如导弹火炮；狭义地讲，就是伺服控制系统；32、为什么会产生运动控制系统现实需求如减轻劳动强度提高生产效率现实需求：如减轻劳动强度、提高生产效率、探索自然奥秘；相关技术的进步：如电力电子、计算机、微处理器；3、控制方式开环控制：控制过程只有顺向作用而没有反向联系，如步进马达控制；4控制装被控对象输入信号输出量装置对象–闭环控制：既有顺向作用又有反向联系。闭环控制：既有顺向作用又有反向联系可以实现复杂而准确的控制。是自然界中一切生物控制自身运动的基本规律也是切生物控制自身运动的基本规律，也是工程自动控制的基本方式。闭环控制必定是一个负反馈控制4、分类独立运行的系统特点是不通用如数独立运行的系统，特点是不通用，如数控、机器人及特种机械的控制；基于PC的通用系统，其构成是PC＋运动控制卡＋驱动器；控制卡＋驱动器；智能系统，其本质是以DSP为核心的全数字在C件字驱动器。在PC上位机软件的辅助下，可以实现系统的重构、控制参数的整定、可实系重构控制参整定控制策略的更改，使系统能够适应控制需求的变化。需求的变化。二、关于线性系统1什么是线性系统、关于线性系统1、什么是线性系统叠加性：叠加性：()()()()yfxfff1212()()()fxxfxfx齐次性()yfx齐次性()()()yfxfKxKfx()()fxfxyykxbybkybkxxx2、已经形成了系统分析的完整理论2、已经形成了系统分析的完整理论时域：微分方程，差分方程；频域：傅立叶分析、拉普拉斯变换、Z变换3时域与频域3、时域与频域()()()()stXsxtedt()ht()xt()yt()()jtsjXxtedt()Hs()Xs()Ys()()()()()Xxtedtytxhtdt()Hs()()()YsXsHs4冲击响应4、冲击响应5、阶跃响应6、频率响应：输出的幅度和相位随输入正频率应输出度和位输弦波频率的变化规律6系阶数6、系统阶数传递函数的极点1传递函数的极点个数；1()Hssa个数；一阶系统()atsahte阶系稳定的概念()hte2二阶系统222()2nHs222nnss三、伺服控制系统三、伺服控制系统1、何谓伺服？伺服也称随动用来控制被控对象的转角使伺服也称随动，用来控制被控对象的转角使其能自动、连续、精确地复现输入指令的变化规律化规律；通常是具有负反馈的闭环控制系统常制对伺服控制系统的要求是稳、准、快2基本功能组成2、基本功能组成3发展历史3、发展历史控制方式：由模拟控制到数字控制；功率驱动：50年代后期的晶闸管、70年代后期的门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管（BJT）、电力场效应管（Power-Mosfet）、80年代后期出现的绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、目前开始广泛应用的IPM；执行元件：从直流电机到交流电机执行元件直流电机到交流电机直流电机：体积大、容量小、制造成本高、需要机械换向装置、维护困难；换装置维护困难；交流电机：结构简单可靠、维护少、无机械换向火花。4发展方向4、发展方向交流化；交流化；全数字化；采用新型电力电子半导体器件；高高度集成化；智能化；智能化；网络化。四、伺服系统设计四、伺服系统设计1、一般理解甲地乙地速度位置；甲地乙地速度速度；力电流动力—电流；力位置的变化是速度速度的变化是加速度（力）速度的变化是加速度（力）2位置伺服控制系统2、位置伺服控制系统的三环设计的三环设计位置调节(PID)速度调节(PI)电流调节(PI)驱动+马达（负载）给定位置VdId电流检测速度检测位置检测电流检测速度检测位置检测由内而外电流环速度环位置环由内而外，电流环、速度环、位置环内环决定外环的性能，内环决定外环的性能伺服控制系统的数字化伺服控制系统的数字化DSP输入处理、位置调节、执行马达+给定位置驱动电路速度调节、电流调节+负载驱动电路反馈信号检测电路3、系统使用模式A电流模式cos()At电流模式电流放大器，无须换相()力矩模式电流模式+换相BC电流模式+换相速度模式IdIq调速系统位置模式IdIq根据转子位置，产生与转位置模式子磁场方向正交的合成磁场的过程称为换相场的过程称为换相4、系统模型()Gs()Hs()Gs()G(s)——调节器，可变H(s)——开环传递函数（系统固有），不可变G(s)与H(s)相匹配，才能获得理想的性性能5、系统性能外在表现（市场营销人员）外在表现（市场营销人员）精度、分辨率、控制带宽容量（出力）、动态范围辅助功能（易用性）辅助功能（易用性）可靠性、安全性内在性能（研发人员）采样率、ADC位数、处理器位数调节方式以及智能化程度调节方式以及智能化程度五、相关概念五、相关概念1系定1、系统的稳定性简言之受到扰动后不论扰动引起的偏差简言之，受到扰动后，不论扰动引起的偏差有多大，当扰动消失后，系统都能以足够的准确度恢复到初始平衡状态；开环系统必然是稳定系统；稳定的闭环系统必然是一个负反馈系统稳定的闭环系统必然是一个负反馈系统；闭环系统是否稳定与系统的开环传递特性有关性有关()jWsKe()WsKe•当相位延迟180度时，系统变成正反馈；对于正反馈系统当K小于1时系统依然稳定•对于正反馈系统，当K小于1时系统依然稳定；•可见，K与1的关系对于系统的稳定性具有决定性的作用；•由此引出了增益裕度和相位裕度的概念•由此，引出了增益裕度和相位裕度的概念。1020-10010增益（dB）101102103104-2010增0100度）-1000相位（度101102103104-200频率(Hz，对数坐标)相位裕度：当增益为1（0dB）时，相位延迟距180度的距离，一般要求大于45度；度的距离，般要求大于45度；增益裕度：当相位延迟为180度时，增益的倒数，般要求大于10dB一般要求大于10dB；2、调节器（校正单元）调节器单根据系统的开环传递函数设计相应的根据系统的开环传递函数，设计相应的调节器，使伺服控制系统的指标达到设计要求；PID调节模糊控制PID调节、模糊控制是控制系统设计研发的永恒主题；是控制系统设计研发的永恒主题；是控制系统中，最需要理论与工程经验相结合的部分。3、二阶系统的阶跃响应为什么研究二阶系统为什么研究二阶系统二阶系统时域响应已经很成熟，其响应特性常被视为一种基准；能够满足实际需求高阶系统可以用二阶系统近似能够满足实际需求，高阶系统可以用二阶系统近似；高阶系统响应的解析表达式较为复杂，相应的物理意义还不够清晰；晰；21)(kksC11sksk2)(sR)(sC212)(kksssRkk211kkkk2n2121kkss)2(nnss1kk令,21,221nnkk则2222)()(nsssRsC则2)(nnsssR上式为典型二阶系统的传递函数。上式为典型二阶系统的传递函数。——阻尼比或衰减系数——无阻尼自然振荡角频率n取横坐标为，不同阻尼比值下的二阶系统单位阶跃响应tn取横标为不同阻尼值下的阶系统单位阶跃响应曲线族如图所示：n从图可见从图可见：（１）越小，振荡越厉害，当增大到１以后，曲线变为单调上升。（２）之间时，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快达到稳态值。8.0~5.0（２）之间时，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快达到稳态值。（３）在无振荡时，临界阻尼系统具有最快的响应。（４）过阻尼系统过渡过程时间长。8.05.0•二阶系统暂态响应的性能指标•二阶系统暂态响应的性能指标二阶系统的特征参量阻尼比和无阻尼自然特征无自然振荡角频率对系统的响应具有决定性的影响。现在针对阻尼的情况讨论暂态n)10(现在针对阻尼的情况，讨论暂态响应指标与特征参量的关系。)10(欠阻尼时，二阶系统的单位阶跃响应为12t0),1arctan1sin(11)(222ttetcntn（＊）•上升时间t•上升时间在暂态过程中，第一次达到稳态值的时间．rt在暂态过程中，第次达到稳态值的时间．00•峰值时间pt峰值时间响应由零上升到第一个峰值所需的时间．p0•最大超调量pM最大超调量发生在时刻，ptt%1000M01%1000ppMM，，0p•调整时间st与稳态值之间的差值达到允许范)(c)(tc之间的差值达到允许范围（取５％或２％）时的暂态过程时间的暂态过程时间．0满足上式的值有多个，按定义，其中最小的值是调整时间stt调整时间st•结论•结论根据值的大小以间接判断个阶系统的暂态特性根据值的大小可以间接判断一个二阶系统的暂态特性．a.，单位阶跃响应为单调曲线，没有超调和振荡，但调整时间较长系统反应迟缓1但调整时间较长，系统反应迟缓．b响应为单调曲线调整时间比的情况短11b.，响应为单调曲线，调整时间比的情况短．c.，输出为等幅振荡，系统不能稳定工作。011，输出为等幅振荡，系统不能稳定工作d.一般希望二阶系统工作在欠阻尼状态下，010=0.707较好．4、信号滤波信号滤波为什么要滤波为什么要滤波信号可以看成是不同频率的正弦信号的叠加周期性信号非周期性信号噪声：白噪声、色噪声滤波就是滤除不需要的频率分量滤波就是滤除不需要的频率分量应用极其广泛分类分类IIR、FIR（InfiniteorFiniteImpulseResponse）IIR、FIR（InfiniteorFiniteImpulseResponse）NM()()()()()NMYnaiynibixni10ii低通高通带通带阻（陷波）低通、高通、带通、带阻（陷波）滤波器的设计方法滤波器的设计方法频域法时域法滤波器举例：一阶巴特沃斯1()Hs滤波器举例：阶巴特沃斯滤波器()1HsTs()(1)()()(1)()ynynxn实际信号处理中常用的一种滤波种滤波器-10030-20dB10-210-1100101-300-50?510-210-1100101-100-50增益（dB）101102103104-100-100-50相位（度）101102103104-150相频率(Hz，对数坐标)六、小结六、小结主要是基本概念的•现代伺服控制系统主要是基本概念的介绍•现代伺服控制系统涉及多个学科介绍现状；–电力电子–信号处理线性系统；三环设计；信号处理–自动控制数字及模拟电路三环设计；稳定性；–数字及模拟电路–计算机滤波–网络通信第二单元：伺服运动控制系统第单元：伺服运动控制系统电机简介电机简介伺服驱动简介伺服驱动简介伺服驱动功能简介伺服选型41电机种类电机种类步进电机：步进电机是将电脉冲信号步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。变频电机：变频电机是一种感应电机件变频电机：变频电机是种感应电机，通过调整电机的供电频率实现电机转速的调整。伺服电机：伺服电动机又称执行电伺服电机：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出42上的