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工作臺的控制設(shè)計(jì)部分閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一)
第二章 工作臺的控制設(shè)計(jì)部分
2.1 閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1.1 關(guān)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(jìn)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(shù)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(jìn)行比較，并用兩者的偏差值對系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)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(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動作控制的。因此伺服系統(tǒng)的工作過程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，由不斷消除的動態(tài)過渡過程。
⒉伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
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(jìn)行比較，以獲得控制系統(tǒng)動作的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常可通過電子電路或計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。
調(diào)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(jìn)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(shí)現(xiàn)，或單獨(dú)由硬件電路來實(shí)現(xiàn)。
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(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動被控對象工作。
被控對象
是伺服系統(tǒng)中被控制的設(shè)備或裝置，是直接實(shí)現(xiàn)目的功能或主功能的主體，其行為質(zhì)量反映著整個(gè)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(shí)時(shí)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(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)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(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)，與外界作用信號的性質(zhì)或形式無關(guān)。
精度
是指其輸出量復(fù)現(xiàn)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(yīng)性
快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它有兩方面的含義，一是指動態(tài)響應(yīng)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(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。
2.1.2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
當(dāng)精度要求高時(shí)，應(yīng)采用閉環(huán)控制方案。它將全部機(jī)械傳動及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都封閉在反饋控制環(huán)內(nèi)，其誤差都可以通過控制系統(tǒng)得到補(bǔ)償，因而可達(dá)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(shù)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(jī)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(jī)。
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(jì)算機(jī)數(shù)字控制，因此位置檢測傳感器采用數(shù)字傳感器光柵。
⒍機(jī)械系統(tǒng)與控制方案的確定
機(jī)械傳動與執(zhí)行結(jié)構(gòu)由執(zhí)行元件通過減速器和滾動絲杠螺母機(jī)構(gòu)，驅(qū)動工作臺運(yùn)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(jī)，因此采用晶體管脈寬調(diào)制（PWM）控制。
2.2 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——閉環(huán)脈寬直流調(diào)速
⒈ 脈寬調(diào)速原理
晶體管脈沖調(diào)制型開關(guān)放大器（PWM放大器）利用對大功率晶體管開關(guān)時(shí)間的控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某種頻率的方波電壓，加在直流電動機(jī)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(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求�？刂菩盘栍捎�(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給定，通過接口和功放電路驅(qū)動直流伺服電動機(jī)。
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(diào)制（PWM）功放大器。后者與前者相比具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)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(guān)功率放大器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖2.1 PWM晶體管功率放大器結(jié)構(gòu)圖
電壓-脈寬變換器
電壓-脈寬變換器的作用是根據(jù)控制指令對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)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(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生一定頻率的三角波UT，該三角波經(jīng)加法器與輸入的指令信號UI相加，產(chǎn)生信號UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個(gè)工作在開環(huán)狀態(tài)下的運(yùn)算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限副開關(guān)特性。兩個(gè)輸入端的信號差的微弱變化，會是比較器輸出對應(yīng)的開關(guān)信號。一般情況下，比較器負(fù)輸入端接地，信號UI+UT從正端輸入。當(dāng)UI+UT>0時(shí)，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng)UI+UT<0時(shí)，比較器輸出滿幅度的負(fù)電平。
電壓-脈寬變換器對信號波形的調(diào)制過程如圖2所示。可見，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(dāng)指令信號UI=0時(shí)，輸出信號US為正負(fù)脈沖寬度相等的矩形脈沖。
當(dāng)UI>0時(shí)，US的正脈寬大于負(fù)脈寬。
當(dāng)UI<0時(shí)，US的負(fù)脈寬大于正脈寬。
當(dāng)UI≥UTPP／2（UTPP是三角波的峰-峰值）時(shí)，US為一正直流信號；當(dāng)UI≤UTPP／2時(shí)，US為一負(fù)直流信號。
選用集成化的LM3524電壓-脈寬變換器芯片 。
⒊ 開關(guān)功率放大器
開關(guān)功率放大器的作用是對電壓-脈寬變換器輸出的信號進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號，以驅(qū)動直流伺服電動機(jī)。
開關(guān)功率放大器常采用大功率晶體管構(gòu)成。根據(jù)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(jié)構(gòu)的開關(guān)功放電路，由續(xù)流二極管VD1～VD4構(gòu)成晶體管關(guān)斷時(shí)直流伺服電動機(jī)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(dāng)US>0時(shí)，VT1和VT4導(dǎo)通，US<0時(shí)，VT2和VT3導(dǎo)通。按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅(qū)動的直流伺服電動機(jī)可有以下四種工作狀態(tài)：
1）當(dāng)UI=0時(shí)，US的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間與VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間相等，流過電樞繞組中的平均電流等于零，電動機(jī)不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動機(jī)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(jī)啟動時(shí)的靜摩擦，減少啟動電壓。
當(dāng)UI>0時(shí)，US的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間長于VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著UI增加，轉(zhuǎn)速增加。
圖2.2 PWM脈寬調(diào)制波形
3）當(dāng)UI<0時(shí)，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(jī)反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著UI減少而增加。
4） 當(dāng)UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2時(shí)，US為正或負(fù)的直流信號，VT1和VT4或VT2和VT3始終導(dǎo)通，電動機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。
2.3 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——光柵
數(shù)字傳感器可直接將被測量轉(zhuǎn)化成數(shù)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(yùn)算處理存儲和遠(yuǎn)距離傳輸 。
本設(shè)計(jì)選用的傳感器是光柵。其所輸出的信號是增量碼形式的數(shù)字信號 。增量碼信號是指信號變化的周期數(shù)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(jīng)放大整形后變成數(shù)字脈沖信號。為提高分辨率，采用細(xì)分電路是傳感器信號每變化個(gè)周期計(jì)一個(gè)數(shù)，其中稱為細(xì)分?jǐn)?shù)，辨向電路用于辨別被測電路。
2.3.1 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)組成
圖2.4 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)組成
2.3.2 多路信號采集細(xì)分
光柵測量線位移時(shí)，有標(biāo)尺光柵和指示光柵，其柵距相同，均為W=0.02mm。當(dāng)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(gè)很小的夾角θ時(shí)，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(xì)分與辨向原理
當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵沿x方向移動時(shí)，莫爾條紋沿y方向移動。如果沿y方向僅放置一個(gè)光電元件P1，則光柵尺每相對移過一個(gè)柵距W，
P1輸出的光電信號就變化一個(gè)周期；如果沿y方向在莫爾條紋寬度B的范圍內(nèi)等間距的放n個(gè)光電元件P1、P2……Pn，則在光柵尺相對移動時(shí)，各光電
元件將輸出n個(gè)相位差依次為360/n的光電信號。在將這n個(gè)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(jì)數(shù)脈沖。于是光柵尺每相對移過一個(gè)柵距W，就可獲得n個(gè)等間隔的計(jì)數(shù)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)n細(xì)分。這種利用多個(gè)傳感元件對同一被測量同時(shí)采集多路相位不同的信號而實(shí)現(xiàn)的細(xì)分方法稱為多路信號采集細(xì)分。
通過圖2.6所示的邏輯電路，就可以實(shí)現(xiàn)對光柵的四細(xì)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(shí)去掉其中的直流分量。整形電路可將正弦波轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)脈沖，而未經(jīng)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(jīng)過與門后分成兩組分別送入兩個(gè)或門，上面的或門在標(biāo)尺光柵相對于指示光柵向左移動的每個(gè)周期內(nèi)輸出4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，下面的或門在光柵向右相對動的每個(gè)周期內(nèi)也輸出4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。通過對或門輸出的脈沖進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，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(jīng)過四細(xì)分后，每個(gè)計(jì)數(shù)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(shí)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(jì)數(shù)脈沖，而未經(jīng)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(jīng)過與門后分成兩組分別送入兩個(gè)或門，上面的或門在標(biāo)尺光柵相對于指示光柵向左移動的每個(gè)周期內(nèi)輸出4個(gè)計(jì)數(shù)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(jìn)行相加減計(jì)數(shù)，便可獲得相對位移量及位移方向。經(jīng)四細(xì)分后，由于要求每個(gè)計(jì)數(shù)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(dāng)ui<0時(shí)，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(yù)處理
信號的采集是按一定方式和通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐穼?shí)現(xiàn)的。信號被采入計(jì)算機(jī)后往往要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)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(jìn)行補(bǔ)償和修正。
模擬量的轉(zhuǎn)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(guān)之前，可獲得同一瞬時(shí)的各路信號。模擬多路開關(guān)選用電子開關(guān)，在此將不再祥述。
A/D轉(zhuǎn)換過程需要一定時(shí)間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號不變，實(shí)現(xiàn)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(guān)保持電容和運(yùn)算放大器組成，如圖2.9所示。運(yùn)算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當(dāng)控制信號UC為高電平時(shí)，場效應(yīng)管VF導(dǎo)
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(dǎo)通期間，uo=ui。當(dāng)UC為低電平時(shí)，VF截止，電容C將采樣期間的信號電平保持下
來，并經(jīng)N2緩沖輸出。在該電路中，場效應(yīng)管VF即為采樣開關(guān)，其關(guān)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(shí)間越長，保持精度越好。
預(yù)處理的任務(wù)是去除干擾信號。干擾信號由周期干擾和隨機(jī)干擾兩類。周期干擾由50HZ的功頻干擾，采用積分時(shí)間為200m整數(shù)倍的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換其，可有效地消除干擾。對于隨機(jī)干擾，可采用數(shù)字濾波的方法低通濾波予以削弱或消除。
第三章 接口設(shè)計(jì)
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