在機電一體化產(chǎn)品中，常常要求對執(zhí)行機構(gòu)的運動速度和位置加以控制往歸結(jié)為對驅(qū)動機構(gòu)運動的Ac伺服電動機進行速度和位置控制。下面，Ac伺服電動機的控制技術(shù)來說明實際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的若干個基本概念。
1．伺服系統(tǒng)通常要采用全閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)形式
位置指令表示要求Ac伺服電動機驅(qū)動的機構(gòu)所期望達到的位置目標值的實際值由位置傳感器來檢測。如果位置檢測器能直接檢測出運動機構(gòu)的位把位置信息反饋到輸入端和位置指令進行比較，將其差值進行放大，控制A電動機轉(zhuǎn)矩，并控制位置向目標點移動，這樣的閉環(huán)控制在工程上常稱為全
制。如果位置檢測器安裝在Ac伺服電動機軸上，通過檢測電動機軸的角位接地反映出運動機構(gòu)的實際位置，這種方式構(gòu)成的閉環(huán)控制，通常稱為半制，如圖2—8所示．
應(yīng)該強調(diào)指出，不管全閉環(huán)控制還是半閉環(huán)控制，都屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)別僅在于位置和速度傳感器安裝在伺服運動鏈上的位置不同而已。
為了在伺服系統(tǒng)中獲得高精度的控制品質(zhì)，****能直接檢測伺服機構(gòu)能置和實際速度，并作為反饋信息送入到系統(tǒng)的輸入端與指令值進行比較。上，在執(zhí)行機構(gòu)裝置的前端上安裝位置和速度檢測器是困難的。另外，連接AC伺服電動機的機械耦合器、變速機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)軸等是否連接得很好，摩擦阻力的變化等復(fù)雜因素，也可能使伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。因此，在實際中，大都在Ac伺服電
動機軸的非負載側(cè)安裝位置和速度檢測器，取得反饋信息，構(gòu)成半閉環(huán)控制。反饋信息檢測點到實際執(zhí)行機構(gòu)之間的位置與速度就依靠機械裝置本身的精度來保證了。
對伺服系統(tǒng)來說，對其控制品質(zhì)的要求主要有以下三個方面：
1)控制精度：輸出量是否控制在目標值所允許的誤差范圍內(nèi)?
2)快速性：輸出量是否快速而準確地響應(yīng)控制命令?響應(yīng)速度、跟蹤控制命令的能力如何?
3)穩(wěn)定性：伺服系統(tǒng)是否穩(wěn)定?穩(wěn)定是控制系統(tǒng)正常工作的前提。
下面就此進行較為詳細的討論。
2�？刂凭�
控制精度體現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的輸入信號對輸出量的控制能力。這可以從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面加以研究。所謂的靜態(tài)控制精度是指輸出量跟蹤控制指令的過渡過程結(jié)束后進入穩(wěn)態(tài)，在輸出量和控制指令間所存在的恒定偏差。用這個偏差的大小來衡量系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后的控制能力，如圖2—9所示。
在圖2一10中所示的閉環(huán)偏差控制框圖中，表明靜態(tài)控制精度高與低的控制誤差e可由下式求得
式中，xr為變量X的指令信號；x0為變量x的輸出信號。
輸出信號為
式中K為放大器增益。
因此，控制誤差為
由式(2—38)可知，隨著增益K的增大，誤差e不斷減小。當(dāng)放大器的增益為無限大時，控制誤差e=0。為了使控制誤差為0，通常是在控制回路中設(shè)置積分控制因素。雖然利用放大器的增益可以解決控制誤差問題，但由于機械部分的耦合存在間隙和摩擦阻力，在半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)時，沒有包含在閉環(huán)之內(nèi)，故也將產(chǎn)生輸出誤差，所以，半閉環(huán)外的機械部件應(yīng)具有相當(dāng)高的精度，才能保證最終端的輸出誤差控制在所允許的范圍內(nèi)。
另一方面，當(dāng)給出控制指令時，由于被控系統(tǒng)具有電磁慣性和機械慣性，以及摩擦阻力、間隙等因素存在，往往輸出信號要落后于輸入指令信號，輸出信號不能及時追蹤到完全符合輸入信號，因而存在所謂的動態(tài)控制精度(跟蹤誤差)問題在動態(tài)跟蹤過程中，輸出信號偏離輸入信號的程度就用動態(tài)控制精度來度量。它并不是恒定量，在起動初期可能偏差較大，達到指令后還可能產(chǎn)生較大的超調(diào)。在實際運行中，要求控制這種動態(tài)誤差不要太大。
3．響應(yīng)特性
系統(tǒng)在輸入單位階躍信號時，輸出量的響應(yīng)過程如圖2—11所示。動態(tài)響應(yīng)隨系統(tǒng)的阻尼情況不同而變化。曲線l表示系統(tǒng)的響應(yīng)較快，曲線2表示系統(tǒng)的響應(yīng)較慢。一般地說，當(dāng)系統(tǒng)的響應(yīng)很快時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將變壞，甚至可能產(chǎn)生振蕩.在設(shè)計Ac伺服系統(tǒng)時，應(yīng)該特別注意。
4.穩(wěn)定性
系統(tǒng)穩(wěn)定是一個系統(tǒng)正常工作的前提。當(dāng)一個閉環(huán)控制系統(tǒng)施加階躍指令時，系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出響應(yīng)可能有如圖2—12所示的幾種情況輸出響應(yīng)的狀態(tài)由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)所決定。當(dāng)增益高、控制延遲大時，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)就容易發(fā)生振蕩。在最壞的情況下，振蕩將發(fā)展到發(fā)散狀態(tài)，如圖2一12e。一般要求輸出響應(yīng)如圖2一12c曲線那樣，經(jīng)過短暫的小幅度振蕩很快就衰減下來；并準確地跟蹤目標值進入穩(wěn)態(tài)運行。
上面討論了Ac伺服電動機速度控制系統(tǒng)在階躍輸入指令的作用下系統(tǒng)的輸出相應(yīng)。階躍輸入指令信號含有非常多的頻率分量，輸出是最不容易很好響應(yīng)的�，F(xiàn)在，當(dāng)AC伺服電動機速度控制系統(tǒng)加入單一頻率的正弦波控制指令時，按照輸出相應(yīng)跟蹤輸入指令的原理，其輸出響應(yīng)也同樣應(yīng)該是正弦波，如圖2—13所示。
由圖可見，相對系統(tǒng)的輸入正弦波來說，輸出響應(yīng)的正弦波在幅值和相位方面都發(fā)生了變化，而兩者的頻率相等。輸出響應(yīng)和輸入指令的這種關(guān)系可以用頻率特性來描述，它是由系統(tǒng)的參數(shù)決定的。在某些應(yīng)用中，為了提高伺服系統(tǒng)的快速性****能實現(xiàn)輸出和輸入之間的零相位跟蹤，并且不希望幅值受到衰減，這需要采用特殊的控制方法才能近似實現(xiàn)。
|
