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伺服电机三闭环(闭环控制的伺服系统设计)

发布时间:2021-03-08 15:00 浏览:0 来源:网络 分类:企业新闻
当系统精度较高或负载较高时,开环伺服系统通常不能满足要求,此时,您需要使用闭环或半闭环控制伺服系统。 闭环控制和半闭环控制的控制原理相同,必须实时感测并反馈系统输出,并根据偏差对系统进行控制。 由于两者的区别仅在于传感器的检测信号的位置,因

当系统精度较高或负载较高时,开环伺服系统通常不能满足要求,此时,您需要使用闭环或半闭环控制伺服系统。

闭环控制和半闭环控制的控制原理相同,必须实时感测并反馈系统输出,并根据偏差对系统进行控制。

由于两者的区别仅在于传感器的检测信号的位置,因此设计和制造难度以及工作性能都不同,但是两种设计和分析方法基本相同。

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1.系统计划设计(1)闭环或半闭环控制计划决策

如果系统精度很高,则应采用闭环控制方法。

闭环伺服系统结构复杂,设计困难,成本高,特别是难以提高机械系统的动态性能,难以保证系统的稳定性。因此,如果精度不是很高,则通常应使用半闭环控制方案。当前,大多数数控机床和工业机器人的伺服系统都采用半闭环控制。

(2)执行器选择

将直流伺服电动机,交流伺服电动机或由伺服阀控制的液压伺服电动机用作致动器。

(3)选择检测反馈分量

常用的位置检测传感器包括旋转变压器,电感器,代码盘,光电脉冲编码器,光栅尺和磁尺。

①如果测量为线性位移,则应选择形状形状的线性位移传感器,例如光栅尺,磁尺,线性感应同步装置等。

②要通过角位移进行测量,需要选择圆形角位移传感器,例如光电脉冲编码器,圆形感应同步装置,旋转变压器和代码盘。

在位置伺服系统中,通常需要执行器速度的反馈控制才能获得良好的性能,因此也要使用速度传感器。交流和直流伺服电机中通常使用的速度传感器是玉米卷饼发生器。在当前的半闭环伺服系统中,光电脉冲编码器通常用于测量电动机的角位移并通过定时获得其速度。

(4)机械系统和控制系统的规划决策

机械变速器和执行器的结构与开环控制伺服系统的结构基本相同。换句话说,致动器驱动工作台移动通过减速器和滚动螺母机构。

控制系统规划决策:

主要包括确定执行器的控制模式和系统伺服控制模式。

对于DC伺服电机,需要确定是使用晶体管脉宽调制(PWM)控制还是使用晶闸管(硅控制)放大器驱动控制。对于交流伺服电机,需要确定是使用矢量控制还是使用幅度,相位或幅度相位控制。

伺服系统控制有模拟控制和数字控制,每种控制方法有各种控制算法。

您还必须决定使用软件伺服控制还是硬件伺服控制,以便可以相应地选择适当的计算机。 2.系统性能分析(1)系统数学模型

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(2)简化数学模型

1.简化为一阶系统

如果系统中的所有连接都是理想的,则没有惯性,没有阻尼,并且刚度是无限的。

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具有较大K值的伺服系统称为硬伺服或高增益系统,而具有较小K值的伺服系统称为软伺服或低增益系统。

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2.简化为二阶系统

当机械系统的刚度很大,惯性非常小并且固有频率远大于伺服电动机的固有频率时,伺服系统的动态特性主要取决于以下动态特性。伺服电机速度环。

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大多数使用大惯量DC伺服电动机的中小型伺服系统和半闭环控制伺服系统都属于这种情况。

3.简化为三阶系统

当机械系统的固有频率远低于伺服电动机的固有频率时,伺服系统的动态特性主要取决于机械系统,并且可以将该系统简化为第三系统。

在这种情况下:

使用小惯性DC伺服电动机的中小型伺服系统或使用大惯性DC伺服电动机的大型伺服系统

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(3)系统稳定性和快速响应分析

使用数学模型分析系统性能并确定系统参数对系统性能的影响,从而在设计过程中合理选择各种参数。

1.主系统分析

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当位置传感器的比例系数为Kp=1

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2.辅助系统分析

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3.第三系统分析

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比例和积分链接的对数幅度-频率和相位频率特性的表达式如下。

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振荡链路的对数幅度-频率和相位频率特性的表达式如下。

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(4)系统精度分析

在系统的正常状态下,输出位移与输入指令信号之间的稳态误差δ如下。

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在公式中:

δ1—与系统组件和输入信号的形状有关的误差称为跟踪误差。

δ2-负载扰动引起的稳态误差。

1.跟踪错误

位置伺服系统是I型系统。

进入跟踪步骤时,系统的跟踪误差为δ1=0mm。

跟踪恒速斜坡输入时,跟踪误差如下。

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在公式中:

v-输入速度命令(毫米/秒);

K-系统的开环增益(s-1)。

2.加载失败导致的错误

对于I型系统,可以通过以下公式计算由于负载干扰引起的稳态误差δ2(mm):

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在公式中:

机械系统的K3变换因子(mm/rad),K3=p /(2πi);

Tl-干扰扭矩转换为电机轴(N m);

KR系统的伺服刚度或力增益(N m/rad),定义为干涉转矩T1与T1引起的电机输出角位移误差之比。

Kd是伺服电动机的内部阻尼系数,可以直接从电动机样本中检查。 3.系统参数设计(1)系统开环增益K

通常情况下,K值选择在8-50s-1的范围内,并选择系统控制模式,执行机构的类型,工作台的质量以及导轨的阻尼特性。

对于点对点线性控制CNC机床伺服进给系统,K值通常被认为是8-15s-1,对于连续控制CNC机床伺服进给系统,经常使用K值。到大约25s-1。

在闭环位置伺服系统中,一般采用速度负反馈回路,系统的开环增益如下。

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在没有速度反馈信号的情况下,系统的开环增益为:

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运动时,低增益伺服系统的开环增益相对较低,但由于速度负反馈环路无法在静态下工作,因此开环增益等于较高的增益。因此,低增益伺服系统不会影响启动时的快速响应和制动时的位置精度。

计算机控制的伺服系统通常会更改开环增益以提高系统性能。

当系统响应开始时,将使用更高的开环增益来加快系统响应并使曲线更陡峭。

当系统响应接近稳态值时,它将降低开环增益,使系统稳定而不会出现过冲,并迅速接近稳态值。

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(2)系统阻尼比ξ

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对于二次系统,当系统允许的最大过冲Mp=(25?1.5)%时,可以在0.4?0.8的范围内选择ξ。

影响系统阻尼比ξ的主要因素是导轨阻尼比。

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增加系统衰减率的措施:

对滚动导轨进行预加载,添加阻尼器或降低系统的开环增益,并使用速度负反馈环路来提高阻尼比。

(3)系统固有频率ωn

固有频率的提高有助于提高系统稳定性和快速响应性,减少由于各种因素引起的误差,并提高抗干扰能力,但是固有频率的提高通常受到系统结构和成本等条件的限制。在正常情况下,每个链路的固有频率在很大程度上取决于系统稳定性要求。

在三级系统中确保稳定性

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确定系统的振幅稳定性裕度是否大于10 dB

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通常,伺服系统中每个链路的固有频率必须满足以下要求。

1)机械系统的固有频率必须比驱动系统的固有频率高2-3倍。

2)除定位环之外的机械零件的固有频率必须比定位环各部分的固有频率高2至3倍。

3)如果位置环中有速度环,则速度环的幅频边界频率必须高于系统截止频率ωc,驱动系统的固有频率必须高于以下频率:速度环的幅频边界频率。

4)为了避免在干扰的影响下发生共振,每条链路的固有频率不应包含在系统的工作频率范围内。

5)每个链节的固有频率应错开一定距离,以防止振动耦合。

上海市松江区莘砖公路399弄