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工作臺的控制設計部分閉環(huán)控制的伺服系統設計(一)
第二章 工作臺的控制設計部分
2.1 閉環(huán)控制的伺服系統設計
2.1.1 關(guān)于伺服系統
⒈ 伺服系統的基本概念
伺服系統，亦稱(chēng)隨動(dòng)系統，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統。
大多數伺服系統具有檢測反饋回路，因而伺服系統是一種反饋控制系統。按照反饋控制理論，伺服系統需不斷檢測在各種擾動(dòng)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進(jìn)行自動(dòng)調節，以消除偏差，使被控對象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。
伺服系統是根據輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的。因此伺服系統的工作過(guò)程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，由不斷消除的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程。
⒉伺服系統的基本結構
伺服系統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的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得控制系統動(dòng)作的偏差信號的環(huán)節，通�？赏ㄟ^(guò)電子電路或計算機軟件來(lái)實(shí)現。
調節元件
又稱(chēng)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，以控制執行元件按要求動(dòng)作。其功能一般由軟件算法加硬件電路來(lái)實(shí)現，或單獨由硬件電路來(lái)實(shí)現。
執行元件
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(dòng)被控對象工作。
被控對象
是伺服系統中被控制的設備或裝置，是直接實(shí)現目的功能或主功能的主體，其行為質(zhì)量反映著(zhù)整個(gè)伺服系統的性能。
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 伺服系統的基本要求
穩定性
是指作用在系統上的擾動(dòng)信號消失后，系統能夠恢復到原來(lái)的穩定狀態(tài)下運行，或者在輸入的指令信號作用下，系統能夠達到新的穩定運行狀態(tài)的能力。
伺服系統的穩定性是系統本身的一種特性，取決于系統的結構及組成元件的參數，與外界作用信號的性質(zhì)或形式無(wú)關(guān)。
精度
是指其輸出量復現輸入指令信號的精確程度。伺服系統工作過(guò)程中通常存在三種誤差，即動(dòng)態(tài)誤差、穩態(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動(dòng)態(tài)性能的一項重要指標。它有兩方面的含義，一是指動(dòng)態(tài)響應過(guò)程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動(dòng)態(tài)響應過(guò)程結束的迅速程度。
2.1.2 閉環(huán)伺服系統的設計
當精度要求高時(shí)，應采用閉環(huán)控制方案。它將全部機械傳動(dòng)及執行機構都封閉在反饋控制環(huán)內，其誤差都可以通過(guò)控制系統得到補償，因而可達到很高的精度。
⒊閉環(huán)伺服系統方框圖
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執行元件的選擇
由于直流伺服電機具有優(yōu)良的動(dòng)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(xiàn)位移，而工作臺的伺服系統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機械系統與控制方案的確定
機械傳動(dòng)與執行結構由執行元件通過(guò)減速器和滾動(dòng)絲杠螺母機構，驅動(dòng)工作臺運動(dòng)。
控制方案的確定，主要包括執行元件控制方式的確定和系統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(kāi)關(guān)放大器（PWM放大器）利用對大功率晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)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(dòng)機的電樞兩端，通過(guò)對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而達到調節電動(dòng)機轉速和轉矩的要求�？刂菩盘栍捎嬎銠C控制系統給定，通過(guò)接口和功放電路驅動(dòng)直流伺服電動(dòng)機。
⒉ PWM晶體管功率放大器的工作原理
功率放大器又稱(chēng)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(jiǎn)單、功耗低、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)關(guān)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(jìn)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(shí)間，實(shí)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(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(kāi)環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開(kāi)環(huán)增益及限副開(kāi)關(guān)特性。兩個(gè)輸入端的信號差的微弱變化，會(huì )是比較器輸出對應的開(kāi)關(guān)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(shí)，比較器輸出滿(mǎn)幅度的正電平；當UI+UT<0時(shí)，比較器輸出滿(mǎn)幅度的負電平。
電壓-脈寬變換器對信號波形的調制過(guò)程如圖2所示�？梢�(jiàn)，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(shí)，輸出信號US為正負脈沖寬度相等的矩形脈沖。
當UI>0時(shí)，US的正脈寬大于負脈寬。
當UI<0時(shí)，US的負脈寬大于正脈寬。
當UI≥UTPP／2（UTPP是三角波的峰-峰值）時(shí)，US為一正直流信號；當UI≤UTPP／2時(shí)，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(kāi)關(guān)功率放大器
開(kāi)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，以驅動(dòng)直流伺服電動(dòng)機。
開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)功放電路，由續流二極管VD1～VD4構成晶體管關(guān)斷時(shí)直流伺服電動(dòng)機繞組中能量的釋放回路。US來(lái)自于電壓-脈寬變換器的輸出，-US可通過(guò)對US反相獲得。當US>0時(shí)，VT1和VT4導通，US<0時(shí)，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(dòng)的直流伺服電動(dòng)機可有以下四種工作狀態(tài)：
1）當UI=0時(shí)，US的正、負脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導通時(shí)間與VT2和VT3的導通時(shí)間相等，流過(guò)電樞繞組中的平均電流等于零，電動(dòng)機不轉。但在交流分量作用下，電動(dòng)機在停止位置處微振，這種微振有動(dòng)力潤滑作用，可消除電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦，減少啟動(dòng)電壓。
當UI>0時(shí)，US的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導通時(shí)間長(cháng)于VT2和VT3的導通時(shí)間，流過(guò)繞組中的電流平均值大于零，電動(dòng)機正轉，且隨著(zhù)UI增加，轉速增加。
圖2.2 PWM脈寬調制波形
3）當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(dòng)機反轉，且反轉轉速隨著(zhù)UI減少而增加。
4） 當UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2時(shí)，US為正或負的直流信號，VT1和VT4或VT2和VT3始終導通，電動(dòng)機在最高轉速下正轉或反轉。
2.3 檢測系統的設計——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(jīng)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(gè)周期計一個(gè)數，其中稱(chēng)為細分數，辨向電路用于辨別被測電路。
2.3.1 數字信號檢測系統組成
圖2.4 數字信號檢測系統組成
2.3.2 多路信號采集細分
光柵測量線(xiàn)位移時(shí)，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(xiàn)面平行刻線(xiàn)方向交成一個(gè)很小的夾角θ時(shí)，在與光柵刻線(xiàn)垂直的方向上可形成明暗交替的莫爾條紋，透
過(guò)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(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿y方向移動(dòng)。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(guò)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的范圍內等間距的放n個(gè)光電元件P1、P2……Pn，則在光柵尺相對移動(dòng)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)計數脈沖。于是光柵尺每相對移過(guò)一個(gè)柵距W，就可獲得n個(gè)等間隔的計數脈沖，從而實(shí)現n細分。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)現的細分方法稱(chēng)為多路信號采集細分。
通過(guò)圖2.6所示的邏輯電路，就可以實(shí)現對光柵的四細分與辨向。
在圖2.6所示的邏輯電路，差動(dòng)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換成相位相同的矩形波，這些矩形波又通過(guò)微分電路變成尖脈沖，以作為計數脈沖，而未經(jīng)微分電路的矩形脈沖被用作后面的與門(mén)的開(kāi)門(mén)控制信號。各信號經(jīng)過(guò)與門(mén)后分成兩組分別送入兩個(gè)或門(mén)，上面的或門(mén)在標尺光柵相對于指示光柵向左移動(dòng)的每個(gè)周期內輸出4個(gè)計數脈沖，下面的或門(mén)在光柵向右相對動(dòng)的每個(gè)周期內也輸出4個(gè)計數脈沖。通過(guò)對或門(mén)輸出的脈沖進(jìn)行加、減計數，便可獲得相對位移量及位移方向。本系統中光柵柵距W=0.02mm，則經(jīng)過(guò)四細分后，每個(gè)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(dòng)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(xiàn)波換成相位相同的矩形波，這些矩形波又通過(guò)微分電路變成尖脈沖，以作為計數脈沖，而未經(jīng)微分電路的矩形脈沖被用作后面與門(mén)的開(kāi)門(mén)控制信號。各信號經(jīng)過(guò)與門(mén)后分成兩組分別送入兩個(gè)或門(mén)，上面的或門(mén)在標尺光柵相對于指示光柵向左移動(dòng)的每個(gè)周期內輸出4個(gè)計數脈沖。上述過(guò)程中信號的波形如圖2.7b所示。通過(guò)對或門(mén)輸出的脈沖進(jìn)行相加減計數，便可獲得相對位移量及位移方向。經(jīng)四細分后，由于要求每個(gè)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(shí)，通過(guò)與上述類(lèi)似的分析可知，uo=+(UZ+UD)。
圖2.7 過(guò)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(guò)適當的接口電路實(shí)現的。信號被采入計算機后往往要先進(jìn)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，并對檢測系統的非線(xiàn)性零位誤差和增益誤差等進(jìn)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(kāi)關(guān)之前，可獲得同一瞬時(shí)的各路信號。模擬多路開(kāi)關(guān)選用電子開(kāi)關(guān)，在此將不再祥述。
A/D轉換過(guò)程需要一定時(shí)間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內保持采樣信號不變，實(shí)現這一功能的電路稱(chēng)采樣/保持電路。典型的采樣/保持電路由模擬開(kāi)關(guān)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(shí)，場(chǎng)效應管VF導
通，對輸入信號采樣。輸入信號ui通過(guò)N1和VF向電容C充電,并通過(guò)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(shí)，VF截止，電容C將采樣期間的信號電平保持下
來(lái)，并經(jīng)N2緩沖輸出。在該電路中，場(chǎng)效應管VF即為采樣開(kāi)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(cháng)，保持精度越好。
預處理的任務(wù)是去除干擾信號。干擾信號由周期干擾和隨機干擾兩類(lèi)。周期干擾由50HZ的功頻干擾，采用積分時(shí)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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