伺服系统设计-幻灯片-伺服系统设计ch01

绪 论,运动控制概念 伺服系统设计课程特点 伺服控制技术的发展 伺服系统的组成 伺服系统技术指标 伺服系统设计内容与步骤,运动控制概念,运动控制起源于早期的伺服驱动技术,随着电力电子技术、微电子技术及计算机技术的迅猛发展,原有的电气传动控制的概念已经不能充分反映现代自动化系统的控制体系。 因此 1988 年前后,国际上开始出现“运动控制”(MOTION CONTROL)这一名称。 运动控制是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,它是控制电机技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉应用技术。,运动控制概念,运动控制系统可分为强电(功率变换)和弱电(信号处理与控制)两部分,前者依赖于电力电子器件,后者决定于控制器件。 运动控制的控制器件经历分立电子元件、集成电路等发展阶段,直至微型计算机的出现,使控制器件发生了飞跃由硬件电路发展到软件控制,运动控制系统也随之进入微机控制全数字的新阶段。,运动控制概念,一个运动控制系统主要的性能指标一般为:动态响应的快速性、稳态跟踪的高精度以及行为的鲁棒性。 这些指标是一个统一的整体,是实现一个运动控制系统的关键技术所在。 目前高性能的运动控制技术在数控加工等应用领域上所面临的主要问题: 一是在存在扰动、非线性、模型和参数不确定性的情况下如何设计高性能的控制器; 二是如何实现动态响应的快速性和状态监控。其运动控制性能的获得和问题的解决不仅意味着执行机构和仪器等方面的先进技术,更重要的是新型控制策略的应用。,数控系统及其伺服驱动技术,机床领域的运动控制技术称为数控即数字控制,指数字信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法,如果采用计算机来实现部分或全部数控功能,则称为计算机数控。 数控系统一般由计算机数控装置(CNC 装置)、伺服驱动装置、位置检测装置、可编程控制器(PLC)、辅助控制装置及输入/输出与通信接口等部分构成。,数控系统及其伺服驱动技术,数控装置(CNC):是数控系统的核心,它的主要功能是将输入的数控加工程序 经过输入、缓存、译码、寄存、运算、存储等转变成控制指令实现直接或通过可编 程逻辑控制器(PLC)对伺服驱动系统的控制。 输入/输出装置:是数控系统和操作人员进行信息交流所必须具备的交互设备, 最基本的输入/输出装置是键盘、显示器等,系统可通过键盘输入程序、编辑修改 程序和发送操作命令;显示器为操作人员提供必要的信息,根据系统所处的状态和操作命令的不同,显示的信息可以是在编辑的程序,或是机床的加工信息。,数控系统及其伺服驱动技术,检测装置:即反馈元件,是半闭、闭环系统设有的反馈装置。由测量元件和显示环节组成,显示位移量的标值。检测精度和稳定性对于系统的控制精度有着决定的影响。 可编程控制器(PLC):用来进行逻辑运算、顺序控制、算术运算等,并将操作指令输出,顺序控制的受控对象随设备的类型、结构、辅助装置的不同而有很大差别,CNC 和 PLC 配合协调完成对设备的控制。,数控系统及其伺服驱动技术,伺服系统是数控机床非常重要的一部分,是与设备本体联系的关键环节,它接收 CNC 发来的速度和位移信号,控制电动机的运动速度、方向,使设备加工定位和运动轨迹精确无误。 伺服系统一般由位置控制、速度控制组成,通常将位置控制部分与数控装置做在一起。伺服驱动装置按其结构特点有开环、半闭环、闭环之分。数控机床的功能强弱取决于 NC 装置,而其性能好坏、取决于伺服驱动系统。伴随着数控系统的发展,数控系统的伺服驱动技术也得到了相应的发展,从电液脉冲马达、功率步进电机发展到高性能交、直流伺服电动机驱动系统。特别是高性能交流电动机伺服系统代表了当前伺服驱动系统的发展方向。,数控系统对伺服驱动控制装置的要求,作为数控机床进给驱动用的伺服系统,要实现高速度、高精度、快速响应、精确跟踪、稳定可靠、高效率高质量加工,应满足以下要求： (1)应具有足够宽的调速范围,通常要求达到1:10000 以上,才能满足低速加工和高速返回的要求,即要能使机械运动跟踪控制指令,能使机械快速移动到所规定的距离,能在规定的位置上使机械保持停止状态,能使机械的移动方向自由地正反改变。,数控系统对伺服驱动控制装置的要求,(2)应具有足够的转动力矩,以满足机床快速移动和重切削的要求。 (3)应具备快速的动态响应特性,以使系统具有良好的动态跟随性能,尽快消除负载扰动对电动机速度的影响。 (4)与 CNC 系统的接口应当简便。整个伺服驱动系统应可以方便的接收来自上一级的指令,同时将自身运行状况传送到上一级控制器。,数控系统对伺服驱动控制装置的要求,(5)伺服电动机的转子惯量要小,以提高系统的加减速特性。电动机的尺寸和重量应尽可能小,便于安装。 (6) 在启动过程中应该保持平滑运行,电动机的转矩脉动尽可能要小,以免运动过程中产生过大的噪声,在停止过程中不应产生爬行现象和高频振动。 (7) 电机本身也应安全可靠,在使用过程中便于维护。,数控机床伺服系统的研究现状和发展方向,数控机床由伺服系统所支持,伺服系统的跟踪性能通常用两个指标来衡量:跟踪误差和轮廓误差。跟踪误差是指理想位置与实际位置之差,而轮廓误差是指理想轨迹 与实际轨迹之差。在机械加工中,工件的尺寸精度是由轮廓误差所决定的。因此,伺服控制器的性能和加工质量、效率密切相关。从机床控制系统的角度看 ,机床控制是一个动态系统,控制系统中不确定因素的产生主要是由于：,数控机床伺服系统的研究现状和发展方向,1)系统的输入包含有随机扰动,如机床振动、工件材料硬度不均等; 2) 系统数学模型的参数甚至结构具有不确定性。传统的数控系统对机床的控制主要采用经典控制论方法,大部分是 PID控制,PID 控制器以其结构简单,使用方便和运行可靠等优点在运动控制中也经常被采用。不过在解决系统中存在着非线性因素不易定量描述的控制问题时,PID 控制器显得力不从心。由于 PID 控制器的结构本身以及算法设计依赖对象的局限性,使得精度的改善导致动态性能的减弱,而动态性能的改善,又使执行机构庞大且能耗增加。,数控机床伺服系统的研究现状和发展方向,再者,同一控制器不仅用来改善输入输出的动态性能,而且还用来消除负载扰动,要想得到使系统具有满意的动静态性能指标的 PID 参数整定算法是相当困难的。 随着电力电子技术,微机及数字信号处理技术和现代控制理论的应用,为伺服技术的发展提供了广阔的前景。近年来智能控制的多种策略,均被引入伺服系统中。,数控机床伺服系统的研究现状和发展方向,高性能智能化交流伺服系统的研究是智能数控系统技术发展的前沿。 将人工神经网络、专家系统、模糊逻辑及遗传算法等人工智能系统与现代交流伺服控制理论方法相结合,研究适合高性能智能化交流伺服系统的控制方法： 分层递阶智能控制、定性与定量控制的协调方法、模糊神经网络学习算法、智能容错鲁棒控制器设计及智能控制的稳定性分析方法。 使交流伺服系统的性能达到快响应、高精度、鲁棒性及高可靠性智能化的目标,并能在高精度数控系统中得到应用。,运动控制系统,运动控制是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动控制系统。 运动控制起源于早期的伺服控制。 简单地说,运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。,运动控制系统,运动控制技术主要是伴随着数控(CNC)技术、机器人技术(Robotics)和工厂自动化技术的发展而发展的。 现代化的运动控制系统具有以下特点: 结构模块化、标准化; 构建系统快速性和柔性化; 开发、维修、升级简单;低成本。 当前的运动控制技术发展方向：基于 PC、柔性化、开放性。,运动控制系统种类,按被控物理量分: 以转速为被控量的系统叫调速系统; 以角位移或直线位移为被控量的系统以前叫做位置随动系统,现称伺服系统。 按驱动电机的类型分: 用直流电机带动生产机械的为直流传动系统;用交流电机带动生产机械的为交流传动系统。,运动控制系统种类,按控制器的类型分: 以模拟电路构成的控制器叫模拟控制系统; 以数字电路构成的控制器叫数字控制系统; 按控制原理可以分为常规控制方法、先进控制方法; 按控制系统中闭环的多少,可分单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统 。,运动控制系统种类,按控制的特点和应用领域的不同,可分为 1)点位运动控制:这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求,与运动的中间过程即运动轨迹无关。 2)连续轨迹运动控制:又称为轮廓控制,主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。 3) 同步运动控制:是指对多个轴之间的运动进行协调控制,可以是对多个轴在运动全程中进行同步控制,也可指对运动过程中的局部进行同步控制。,运动系统共同的特点,所有这些运动系统共同的特点就是: (1) 被控量的过渡过程较短,一般为秒级甚至毫秒级。 (2) 传动功率范围宽。 (3) 调速范围大,宽调速系统的调速范围可达到 1:10000。 (4) 具有良好的动态性能。 (5) 电动机空载损耗小,效率高,具有较强的过载能力。,运动控制系统的基本结构,运动控制在国民经济各部门中起着重要的作用,运动控制器不但在传统的机械数控行业有着广泛的应用,而且在新兴的电子制造和信息产品的制造业中起着不可替代的作用。 自 20 世纪 80 年代以来,运动控制领域正在发生日新月异的变换,各种先进控制策略和先进技术已经被广泛应用到各个工程实际中。,一个典型的运动控制系统主要由被控机械设备、电动机、控制器、功率驱动装置、和控制软件构成。 控制器按照给定和实际运行反馈值之差,调节控制量; 驱动装置按控制量调节电机转矩;电动机按供电大小拖动机械运转。 整个系统的运动指令由运动控制器给出,因此运动控制器是整个运动控制系统的核心。,运动控制系统的发展过程及应用,运动控制系统就执行元件电动机而言,交直流两大分支一直并存于各个工业领域,伴随着工业技术的发展,特别是随着电力电子和微电子技术的发展,电机及控制技术不断完善。19 世纪 80 年代以前,直流电机拖动是唯一的电气传动方式。 19 世纪末,交流电机的发明使用,使交流电气传动在工业中得到了逐步广泛的应用。随着生产技术的发展,对起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求。 这时又开始使用直流调速系统;但由于直流调速本身存在的弱点,人们开始了新一轮交流调速系统的研究。,运动控制系统的发展过程及应用,近几十年来随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展,为交流调速产品的开发创造了有利的条件,使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能,并实现了产品的系列化,目前交流调速系统已逐步占据了主导地位。 在中小功率范围内,高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用永磁同步电动机。 。,运动控制系统的发展过程及应用,从控制策略方面分析,以往的电气传动控制系统主要用经典控制理论作指导,它以单输入单输出的线性时不变系统作为主要研究对象,用传递函数作为基本数学描述,以频域法和根轨迹作为分析和综合系统的方法。 六十年代初,现代控制理论开始 形成,它的研究对象要比经典控制理论广泛得多,适用于非线性、时变、断续和多变 量系统,它的研究方法本质上是时域的,即状态空间法,它的分析和综合目标是揭示系统的内在规律,实现系统的最优化。 控制策略的设计目标是:,运动控制系统的发展过程及应用,控制策略的设计目标是: 1)减少扰动和参数变化的影响。 2)获得期望的稳态精度和输入输出的动态特性。 3)通过对负载力矩以及对跟踪偏差的控制来达到上述目的。,运动控制系统的发展过程及应用,目前在运动控制系统中常用的现代控制理论主要有:最优控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、专家系统、神经元控制等。 在运动控制系统中,应用十分广泛的是位置控制