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工作臺的控制設計部分閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設計(一)
第二章 工作臺的控制設計部分
2.1 閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設計
2.1.1 關于伺服系統(tǒng)
⒈ 伺服系統(tǒng)的基本概念
伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。
大多數伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。按照反饋控制理論，伺服系統(tǒng)需不斷檢測在各種擾動作用下被控對象輸出量的變化，與指令值進行比較，并用兩者的偏差值對系統(tǒng)進行自動調節(jié)，以消除偏差，使被控對象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。
伺服系統(tǒng)是根據輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進行動作控制的。因此伺服系統(tǒng)的工作過程是一個偏差不斷產生，由不斷消除的動態(tài)過渡過程。
⒉伺服系統(tǒng)的基本結構
伺服系統(tǒng)是由一些功能元件組成的。
比較元件
是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得控制系統(tǒng)動作的偏差信號的環(huán)節(jié)，通�？赏ㄟ^電子電路或計算機軟件來實現。
調節(jié)元件
又稱控制器，其作用是對比較元件輸出的偏差信號進行變換、放大，以控制執(zhí)行元件按要求動作。其功能一般由軟件算法加硬件電路來實現，或單獨由硬件電路來實現。
執(zhí)行元件
其作用是在控制信號的作用下，將輸入的各種形式的能量轉換成機械能，驅動被控對象工作。
被控對象
是伺服系統(tǒng)中被控制的設備或裝置，是直接實現目的功能或主功能的主體，其行為質量反映著整個伺服系統(tǒng)的性能。
測量反饋元件
是指傳感器及其信號檢測裝置，用于實時間測被控對象的輸出量并將其反饋到比較元件。
⒊ 伺服系統(tǒng)的基本要求
穩(wěn)定性
是指作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行，或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結構及組成元件的參數，與外界作用信號的性質或形式無關。
精度
是指其輸出量復現輸入指令信號的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差，即動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。
快速響應性
快速響應性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的一項重要指標。它有兩方面的含義，一是指動態(tài)響應過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度。
2.1.2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設計
當精度要求高時，應采用閉環(huán)控制方案。它將全部機械傳動及執(zhí)行機構都封閉在反饋控制環(huán)內，其誤差都可以通過控制系統(tǒng)得到補償，因而可達到很高的精度。
⒊閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖
其閉環(huán)傳遞函數為：
W(S)=X(S)/RP(S)
=K1K2K3Kmωn2/[S(1+K2KωKm+τjs)(s2+2ξωns+ωn2)+K1K2K3KPKmωn2]
⒋執(zhí)行元件的選擇
由于直流伺服電機具有優(yōu)良的動靜態(tài)特性，并且易于控制，因此選用直流伺服電機。
⒌檢測反饋元件的選擇
由于工作臺需要檢測位置并且被測量量為直線位移，而工作臺的伺服系統(tǒng)采用計算機數字控制，因此位置檢測傳感器采用數字傳感器光柵。
⒍機械系統(tǒng)與控制方案的確定
機械傳動與執(zhí)行結構由執(zhí)行元件通過減速器和滾動絲杠螺母機構，驅動工作臺運動。
控制方案的確定，主要包括執(zhí)行元件控制方式的確定和系統(tǒng)伺服控制方式的確定。
由于本文采用的是直流伺服電機，因此采用晶體管脈寬調制（PWM）控制。
2.2 調速系統(tǒng)的設計——閉環(huán)脈寬直流調速
⒈ 脈寬調速原理
晶體管脈沖調制型開關放大器（PWM放大器）利用對大功率晶體管開關時間的控制，將直流電壓轉換成某種頻率的方波電壓，加在直流電動機的電樞兩端，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而達到調節(jié)電動機轉速和轉矩的要求�？刂菩盘栍捎嬎銠C控制系統(tǒng)給定，通過接口和功放電路驅動直流伺服電動機。
⒉ PWM晶體管功率放大器的工作原理
功率放大器又稱功放電路，目前主要有兩種，一種是晶閘管功率放大器，另一種是晶體管脈沖寬度調制（PWM）功放大器。后者與前者相比具有結構簡單、功耗低、效率高、工作可靠等優(yōu)點，故本設計采用后者。
PWM晶體管功率放大器由兩部分組成，一部分是電壓-脈寬變換器，另一部分是開關功率放大器，其結構如圖1所示。
圖2.1 PWM晶體管功率放大器結構圖
電壓-脈寬變換器
電壓-脈寬變換器的作用是根據控制指令對脈沖寬度進行調制，以便用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率晶體管的導通時間，實現對電樞繞組兩端電壓的控制。
電壓-脈寬變換器由三角波發(fā)生器加法器和比較器組成。三角波發(fā)生器用于產生一定頻率的三角波UT，該三角波經加法器與輸入的指令信號UI相加，產生信號UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個工作在開環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限副開關特性。兩個輸入端的信號差的微弱變化，會是比較器輸出對應的開關信號。一般情況下，比較器負輸入端接地，信號UI+UT從正端輸入。當UI+UT>0時，比較器輸出滿幅度的正電平；當UI+UT<0時，比較器輸出滿幅度的負電平。
電壓-脈寬變換器對信號波形的調制過程如圖2所示�？梢�，由于比較器的限副特性，輸出信號US的幅度不變，但脈沖寬度隨UI的變化而變化。US的頻率由三角波的頻率所決定。
當指令信號UI=0時，輸出信號US為正負脈沖寬度相等的矩形脈沖。
當UI>0時，US的正脈寬大于負脈寬。
當UI<0時，US的負脈寬大于正脈寬。
當UI≥UTPP／2（UTPP是三角波的峰-峰值）時，US為一正直流信號；當UI≤UTPP／2時，US為一負直流信號。
選用集成化的LM3524電壓-脈寬變換器芯片 。
⒊ 開關功率放大器
開關功率放大器的作用是對電壓-脈寬變換器輸出的信號進行放大，輸出具有足夠功率的信號，以驅動直流伺服電動機。
開關功率放大器常采用大功率晶體管構成。根據各晶體管基極所加的控制電壓波形，可分為單極性輸出、雙極性輸出和有限單極性輸出三種方式。
圖 2.3是雙極性輸出的H型橋式PWM晶體管功率放大器的電路原理圖。
圖2.3 H型橋式PWM晶體管功率放大器的電路原理圖
圖中由大晶體管VT1～VT4組成H型橋式結構的開關功放電路，由續(xù)流二極管VD1～VD4構成晶體管關斷時直流伺服電動機繞組中能量的釋放回路。US來自于電壓-脈寬變換器的輸出，-US可通過對US反相獲得。當US>0時，VT1和VT4導通，US<0時，VT2和VT3導通。按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅動的直流伺服電動機可有以下四種工作狀態(tài)：
1）當UI=0時，US的正、負脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導通時間與VT2和VT3的導通時間相等，流過電樞繞組中的平均電流等于零，電動機不轉。但在交流分量作用下，電動機在停止位置處微振，這種微振有動力潤滑作用，可消除電動機啟動時的靜摩擦，減少啟動電壓。
當UI>0時，US的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導通時間長于VT2和VT3的導通時間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動機正轉，且隨著UI增加，轉速增加。
圖2.2 PWM脈寬調制波形
3）當UI<0時，US的直流分量小于零，電樞繞組中的電流平均值也小于零，電動機反轉，且反轉轉速隨著UI減少而增加。
4） 當UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2時，US為正或負的直流信號，VT1和VT4或VT2和VT3始終導通，電動機在最高轉速下正轉或反轉。
2.3 檢測系統(tǒng)的設計——光柵
數字傳感器可直接將被測量轉化成數字信號輸出，即可提高檢測精度，分辨率及抗干擾能力，又易于信號的運算處理存儲和遠距離傳輸 。
本設計選用的傳感器是光柵。其所輸出的信號是增量碼形式的數字信號 。增量碼信號是指信號變化的周期數與被測位移成正比的信號。
傳感器的輸出為正弦波信號，需先經放大整形后變成數字脈沖信號。為提高分辨率，采用細分電路是傳感器信號每變化個周期計一個數，其中稱為細分數，辨向電路用于辨別被測電路。
2.3.1 數字信號檢測系統(tǒng)組成
圖2.4 數字信號檢測系統(tǒng)組成
2.3.2 多路信號采集細分
光柵測量線位移時，有標尺光柵和指示光柵，其柵距相同，均為W=0.02mm。當將兩塊光柵靠近放置并讓其刻線面平行刻線方向交成一個很小的夾角θ時，在與光柵刻線垂直的方向上可形成明暗交替的莫爾條紋，透
過莫爾條紋的光通量φ的變化如圖2.5所示。
圖2.6 光柵信號的四細分與辨向原理
當標尺光柵相對于指示光柵沿x方向移動時，莫爾條紋沿y方向移動。如果沿y方向僅放置一個光電元件P1，則光柵尺每相對移過一個柵距W，
P1輸出的光電信號就變化一個周期；如果沿y方向在莫爾條紋寬度B的范圍內等間距的放n個光電元件P1、P2……Pn，則在光柵尺相對移動時，各光電
元件將輸出n個相位差依次為360/n的光電信號。在將這n個近似正弦波的光電信號整形成方波信號后，可利用其上升或下降沿發(fā)計數脈沖。于是光柵尺每相對移過一個柵距W，就可獲得n個等間隔的計數脈沖，從而實現n細分。這種利用多個傳感元件對同一被測量同時采集多路相位不同的信號而實現的細分方法稱為多路信號采集細分。
通過圖2.6所示的邏輯電路，就可以實現對光柵的四細分與辨向。
在圖2.6所示的邏輯電路，差動放大器可在對信號放大的同時去掉其中的直流分量。整形電路可將正弦波轉換成相位相同的矩形波，這些矩形波又通過微分電路變成尖脈沖，以作為計數脈沖，而未經微分電路的矩形脈沖被用作后面的與門的開門控制信號。各信號經過與門后分成兩組分別送入兩個或門，上面的或門在標尺光柵相對于指示光柵向左移動的每個周期內輸出4個計數脈沖，下面的或門在光柵向右相對動的每個周期內也輸出4個計數脈沖。通過對或門輸出的脈沖進行加、減計數，便可獲得相對位移量及位移方向。本系統(tǒng)中光柵柵距W=0.02mm，則經過四細分后，每個計數脈沖代表的位移量為W/4=0.005mm，從而使檢測分辨率提高4倍。
在圖2.7a中，差動放大器可在對信號放大的同時去掉其中的直流分量。整形電路可將正線波換成相位相同的矩形波，這些矩形波又通過微分電路變成尖脈沖，以作為計數脈沖，而未經微分電路的矩形脈沖被用作后面與門的開門控制信號。各信號經過與門后分成兩組分別送入兩個或門，上面的或門在標尺光柵相對于指示光柵向左移動的每個周期內輸出4個計數脈沖。上述過程中信號的波形如圖2.7b所示。通過對或門輸出的脈沖進行相加減計數，便可獲得相對位移量及位移方向。經四細分后，由于要求每個計數脈沖代表
的位移量為W/4=0.005mm，從而使檢測分辨率提高4倍。
由于VS1、VS2及電阻R的限幅作用，使得比較器的輸出為uo=-(UZ+UD),如圖10b所示。當ui<0時，通過與上述類似的分析可知，uo=+(UZ+UD)。
圖2.7 過零比較器
2.3.3 檢測信號的采集與預處理
信號的采集是按一定方式和通過適當的接口電路實現的。信號被采入計算機后往往要先進行適當的預處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性零位誤差和增益誤差等進行補償和修正。
模擬量的轉換輸入方式如圖2.8所示，它的信號的采樣/保持電路在多路開關之前，可獲得同一瞬時的各路信號。模擬多路開關選用電子開關，在此將不再祥述。
A/D轉換過程需要一定時間，為防止產生誤差，要求在此期間內保持采樣信號不變，實現這一功能的電路稱采樣/保持電路。典型的采樣/保持電路由模擬開關保持電容和運算放大器組成，如圖2.9所示。運算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當控制信號UC為高電平時，場效應管VF導
通，對輸入信號采樣。輸入信號ui通過N1和VF向電容C充電,并通過N2輸出uo。由于N1的阻抗很小，N2的輸入阻抗很大，因而在VF導通期間，uo=ui。當UC為低電平時，VF截止，電容C將采樣期間的信號電平保持下
來，并經N2緩沖輸出。在該電路中，場效應管VF即為采樣開關，其關斷電阻和N2的輸入阻抗約稿，C的泄漏電阻越大，uo的保持時間越長，保持精度越好。
預處理的任務是去除干擾信號。干擾信號由周期干擾和隨機干擾兩類。周期干擾由50HZ的功頻干擾，采用積分時間為200m整數倍的雙積分型A/D轉換其，可有效地消除干擾。對于隨機干擾，可采用數字濾波的方法低通濾波予以削弱或消除。
第三章 接口設計
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