工作台的控制设计部分闭环控制的伺服系统设计(一)
第二章 工作台的控制设计部分
2.1 闭环控制的伺服系统设计
2.1.1 关于伺服系统
⒈ 伺服系统的基本概念
伺服系统，亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。
大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统。按照反馈控制理论，伺服系统需不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，与指令值进行比较，并用两者的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。
伺服系统是根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的。因此伺服系统的工作过程是一个偏差不断产生，由不断消除的动态过渡过程。
⒉伺服系统的基本结构
伺服系统是由一些功能元件组成的。
比较元件
是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得控制系统动作的偏差信号的环节，通常可通过电子电路或计算机软件来实现。
调节元件
又称控制器，其作用是对比较元件输出的偏差信号进行变换、放大，以控制执行元件按要求动作。其功能一般由软件算法加硬件电路来实现，或单独由硬件电路来实现。
执行元件
其作用是在控制信号的作用下，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。
被控对象
是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。
测量反馈元件
是指传感器及其信号检测装置，用于实时间测被控对象的输出量并将其反馈到比较元件。
⒊ 伺服系统的基本要求
稳定性
是指作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。
伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数，与外界作用信号的性质或形式无关。
精度
是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。伺服系统工作过程中通常存在三种误差，即动态误差、稳态误差和静态误差。
快速响应性
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要指标。它有两方面的含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
2.1.2 闭环伺服系统的设计
当精度要求高时，应采用闭环控制方案。它将全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可达到很高的精度。
⒊闭环伺服系统方框图
其闭环传递函数为：
W(S)=X(S)/RP(S)
=K1K2K3Kmωn2/[S(1+K2KωKm+τjs)(s2+2ξωns+ωn2)+K1K2K3KPKmωn2]
⒋执行元件的选择
由于直流伺服电机具有优良的动静态特性，并且易于控制，因此选用直流伺服电机。
⒌检测反馈元件的选择
由于工作台需要检测位置并且被测量量为直线位移，而工作台的伺服系统采用计算机数字控制，因此位置检测传感器采用数字传感器光栅。
⒍机械系统与控制方案的确定
机械传动与执行结构由执行元件通过减速器和滚动丝杠螺母机构，驱动工作台运动。
控制方案的确定，主要包括执行元件控制方式的确定和系统伺服控制方式的确定。
由于本文采用的是直流伺服电机，因此采用晶体管脉宽调制（PWM）控制。
2.2 调速系统的设计——闭环脉宽直流调速
⒈ 脉宽调速原理
晶体管脉冲调制型开关放大器（PWM放大器）利用对大功率晶体管开关时间的控制，将直流电压转换成某种频率的方波电压，加在直流电动机的电枢两端，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到调节电动机转速和转矩的要求。控制信号由计算机控制系统给定，通过接口和功放电路驱动直流伺服电动机。
⒉ PWM晶体管功率放大器的工作原理
功率放大器又称功放电路，目前主要有两种，一种是晶闸管功率放大器，另一种是晶体管脉冲宽度调制（PWM）功放大器。后者与前者相比具有结构简单、功耗低、效率高、工作可靠等优点，故本设计采用后者。
PWM晶体管功率放大器由两部分组成，一部分是电压-脉宽变换器，另一部分是开关功率放大器，其结构如图1所示。
图2.1 PWM晶体管功率放大器结构图
电压-脉宽变换器
电压-脉宽变换器的作用是根据控制指令对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。
电压-脉宽变换器由三角波发生器加法器和比较器组成。三角波发生器用于产生一定频率的三角波UT，该三角波经加法器与输入的指令信号UI相加，产生信号UI+UT，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限副开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会是比较器输出对应的开关信号。一般情况下，比较器负输入端接地，信号UI+UT从正端输入。当UI+UT>0时，比较器输出满幅度的正电平；当UI+UT<0时，比较器输出满幅度的负电平。
电压-脉宽变换器对信号波形的调制过程如图2所示。可见，由于比较器的限副特性，输出信号US的幅度不变，但脉冲宽度随UI的变化而变化。US的频率由三角波的频率所决定。
当指令信号UI=0时，输出信号US为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。
当UI>0时，US的正脉宽大于负脉宽。
当UI<0时，US的负脉宽大于正脉宽。
当UI≥UTPP／2（UTPP是三角波的峰-峰值）时，US为一正直流信号；当UI≤UTPP／2时，US为一负直流信号。
选用集成化的LM3524电压-脉宽变换器芯片 。
⒊ 开关功率放大器
开关功率放大器的作用是对电压-脉宽变换器输出的信号进行放大，输出具有足够功率的信号，以驱动直流伺服电动机。
开关功率放大器常采用大功率晶体管构成。根据各晶体管基极所加的控制电压波形，可分为单极性输出、双极性输出和有限单极性输出三种方式。
图 2.3是双极性输出的H型桥式PWM晶体管功率放大器的电路原理图。
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