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。
图2.3 H型桥式PWM晶体管功率放大器的电路原理图
图中由大晶体管VT1～VT4组成H型桥式结构的开关功放电路，由续流二极管VD1～VD4构成晶体管关断时直流伺服电动机绕组中能量的释放回路。US来自于电压-脉宽变换器的输出，-US可通过对US反相获得。当US>0时，VT1和VT4导通，US<0时，VT2和VT3导通。按照控制指令的不同情况，该功放电路及其所驱动的直流伺服电动机可有以下四种工作状态：
1）当UI=0时，US的正、负脉宽相等，直流分量为零，VT1和VT4的导通时间与VT2和VT3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减少启动电压。
当UI>0时，US的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VT1和VT4的导通时间长于VT2和VT3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着UI增加，转速增加。
图2.2 PWM脉宽调制波形
3）当UI<0时，US的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着UI减少而增加。
4） 当UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2时，US为正或负的直流信号，VT1和VT4或VT2和VT3始终导通，电动机在最高转速下正转或反转。
2.3 检测系统的设计——光栅
数字传感器可直接将被测量转化成数字信号输出，即可提高检测精度，分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理存储和远距离传输 。
本设计选用的传感器是光栅。其所输出的信号是增量码形式的数字信号 。增量码信号是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。
传感器的输出为正弦波信号，需先经放大整形后变成数字脉冲信号。为提高分辨率，采用细分电路是传感器信号每变化个周期计一个数，其中称为细分数，辨向电路用于辨别被测电路。
2.3.1 数字信号检测系统组成
图2.4 数字信号检测系统组成
2.3.2 多路信号采集细分
光栅测量线位移时，有标尺光栅和指示光栅，其栅距相同，均为W=0.02mm。当将两块光栅靠近放置并让其刻线面平行刻线方向交成一个很小的夹角θ时，在与光栅刻线垂直的方向上可形成明暗交替的莫尔条纹，透
过莫尔条纹的光通量φ的变化如图2.5所示。
图2.6 光栅信号的四细分与辨向原理
当标尺光栅相对于指示光栅沿x方向移动时，莫尔条纹沿y方向移动。如果沿y方向仅放置一个光电元件P1，则光栅尺每相对移过一个栅距W，
P1输出的光电信号就变化一个周期；如果沿y方向在莫尔条纹宽度B的范围内等间距的放n个光电元件P1、P2……Pn，则在光栅尺相对移动时，各光电
元件将输出n个相位差依次为360/n的光电信号。在将这n个近似正弦波的光电信号整形成方波信号后，可利用其上升或下降沿发计数脉冲。于是光栅尺每相对移过一个栅距W，就可获得n个等间隔的计数脉冲，从而实现n细分。这种利用多个传感元件对同一被测量同时采集多路相位不同的信号而实现的细分方法称为多路信号采集细分。
通过图2.6所示的逻辑电路，就可以实现对光栅的四细分与辨向。
在图2.6所示的逻辑电路，差动放大器可在对信号放大的同时去掉其中的直流分量。整形电路可将正弦波转换成相位相同的矩形波，这些矩形波又通过微分电路变成尖脉冲，以作为计数脉冲，而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面的与门的开门控制信号。各信号经过与门后分成两组分别送入两个或门，上面的或门在标尺光栅相对于指示光栅向左移动的每个周期内输出4个计数脉冲，下面的或门在光栅向右相对动的每个周期内也输出4个计数脉冲。通过对或门输出的脉冲进行加、减计数，便可获得相对位移量及位移方向。本系统中光栅栅距W=0.02mm，则经过四细分后，每个计数脉冲代表的位移量为W/4=0.005mm，从而使检测分辨率提高4倍。
在图2.7a中，差动放大器可在对信号放大的同时去掉其中的直流分量。整形电路可将正线波换成相位相同的矩形波，这些矩形波又通过微分电路变成尖脉冲，以作为计数脉冲，而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面与门的开门控制信号。各信号经过与门后分成两组分别送入两个或门，上面的或门在标尺光栅相对于指示光栅向左移动的每个周期内输出4个计数脉冲。上述过程中信号的波形如图2.7b所示。通过对或门输出的脉冲进行相加减计数，便可获得相对位移量及位移方向。经四细分后，由于要求每个计数脉冲代表
的位移量为W/4=0.005mm，从而使检测分辨率提高4倍。
由于VS1、VS2及电阻R的限幅作用，使得比较器的输出为uo=-(UZ+UD),如图10b所示。当ui<0时，通过与上述类似的分析可知，uo=+(UZ+UD)。
图2.7 过零比较器
2.3.3 检测信号的采集与预处理
信号的采集是按一定方式和通过适当的接口电路实现的。信号被采入计算机后往往要先进行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性零位误差和增益误差等进行补偿和修正。
模拟量的转换输入方式如图2.8所示，它的信号的采样/保持电路在多路开关之前，可获得同一瞬时的各路信号。模拟多路开关选用电子开关，在此将不再祥述。
A/D转换过程需要一定时间，为防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变，实现这一功能的电路称采样/保持电路。典型的采样/保持电路由模拟开关保持电容和运算放大器组成，如图2.9所示。运算放大器N1和N2接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号UC为高电平时，场效应管VF导
通，对输入信号采样。输入信号ui通过N1和VF向电容C充电,并通过N2输出uo。由于N1的阻抗很小，N2的输入阻抗很大，因而在VF导通期间，uo=ui。当UC为低电平时，VF截止，电容C将采样期间的信号电平保持下
来，并经N2缓冲输出。在该电路中，场效应管VF即为采样开关，其关断电阻和N2的输入阻抗约稿，C的泄漏电阻越大，uo的保持时间越长，保持精度越好。
预处理的任务是去除干扰信号。干扰信号由周期干扰和随机干扰两类。周期干扰由50HZ的功频干扰，采用积分时间为200m整数倍的双积分型A/D转换其，可有效地消除干扰。对于随机干扰，可采用数字滤波的方法低通滤波予以削弱或消除。
第三章 接口设计
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