精密仪器设计13第六章1.ppt

1、 了解精密仪器的控制系统的基本概念、了解精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步骤。骤。6.3 闭环伺服控制系统设计（1）驱动电路）驱动电路将指令信号转将指令信号转换为执行元件的驱动信号。换为执行元件的驱动信号。（2）执行元件）执行元件一种能量转换一种能量转换装置，在驱动信号的驱动下，输装置，在驱动信号的驱动下，输出机械执行机构所需的机械能，出机械执行机构所需的机械能，使之完成特定的任务。使之完成特定的任务。将输入的控制信号进行处理，将输入的控制信号进行

2、处理，转化为执行元件输出的速度、位移、力等，包括的功能元转化为执行元件输出的速度、位移、力等，包括的功能元件有：件有：伺服系统中，常用的执行元件主要有如下几类：a.电气式电气式：步进电动机，直、交流伺服电动机，将电能将电能机械能。它是现代精密仪器中最常用的类型。机械能。它是现代精密仪器中最常用的类型。b.液压式液压式：液压缸、液压马达等。输出功率大，动作平稳。但需要相应的液压源，占地面积大，输出功率大，动作平稳。但需要相应的液压源，占地面积大，容易漏油而污染环境，控制性能不如伺服电机。容易漏油而污染环境，控制性能不如伺服电机。c.气压式气压式：气缸、气马达等。气源方便，成本低，动作快，但输出功

3、率小，体积大，工作气源方便，成本低，动作快，但输出功率小，体积大，工作噪声大，且难于伺服控制。噪声大，且难于伺服控制。1.惯性小、动力大。惯性小、动力大。2.体积小、重量轻。体积小、重量轻。3.便于计算机控制。便于计算机控制。4.成本低、可靠性好。成本低、可靠性好。目前大多数执行元件都已形成系列产目前大多数执行元件都已形成系列产品，有专门厂家生产，设计时只需根据品，有专门厂家生产，设计时只需根据要求合理选用。对于不同的执行元件，要求合理选用。对于不同的执行元件，其工作原理、所需的驱动信号不同，其工作原理、所需的驱动信号不同，其对应的驱动线路是不同的。其对应的驱动线路是不同的。伺服系统的控制对象

4、，是直接实现伺服系统的控制对象，是直接实现系统功能的主体，其行为的质量影响系统的性能。包括：传动系统功能的主体，其行为的质量影响系统的性能。包括：传动机构、导向机构和（或）执行机构。机构、导向机构和（或）执行机构。包括传感器及其信号转换电路。提取执包括传感器及其信号转换电路。提取执行装置的运动状态信号，转换为控制装置的接收信号，与指令行装置的运动状态信号，转换为控制装置的接收信号，与指令信号相比较，控制机械执行装置的运动。信号相比较，控制机械执行装置的运动。只控制点与点间的位置，对于运动只控制点与点间的位置，对于运动轨迹没有严格限定，常用的有精密轨迹没有严格限定，常用的有精密定位工作台。定位工

5、作台。同时控制两个或两个以上坐标轴的瞬时位置和移动同时控制两个或两个以上坐标轴的瞬时位置和移动速度，以实现平面或空间曲线运动。速度，以实现平面或空间曲线运动。1、稳定性、稳定性2、精度、精度3、快速响应性、快速响应性作用在系统上的扰动消失后，系作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。够达到新的稳定运行状态的能力。n伺服系统的稳定性取决于系统结构参数，如：惯性、刚度、阻尼、增益等，与外界信号的性质或形式无关。n系统稳定性分析可根据系统的传递函数，采用各

6、种自动控制理论所提供的各种方法来判断。n系统不稳定的表现：外界干扰指令信号作用下，输出信号不稳定、过渡过程随时间增加而增长，或表现为等幅振荡，低速下爬行。1、稳定性、稳定性2、精度、精度3、快速响应性、快速响应性输出量与输入指令的精确程度。可输出量与输入指令的精确程度。可以用输出量与输入量的偏差来衡量以用输出量与输入量的偏差来衡量。1、元件本身的误差：如传感器、伺服放大器、机械、元件本身的误差：如传感器、伺服放大器、机械装置等。装置等。2、输入信号的形式：如脉冲信号，方波、三角波、输入信号的形式：如脉冲信号，方波、三角波、正（余）弦波。正（余）弦波。3、系统的结构形式：如元器件的联接形式、不同

7、的、系统的结构形式：如元器件的联接形式、不同的线路和机械结构。线路和机械结构。1、元件本身的误差、元件本身的误差2、输入信号的形式、输入信号的形式3、系统的结构形式、系统的结构形式1、稳定性、稳定性2、精度、精度3、快速响应性、快速响应性反映系统的动态性能。其有反映系统的动态性能。其有两方面含义：两方面含义：l一是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号一是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号变化变化的迅速程度。其衡量参数为系统的迅速程度。其衡量参数为系统上升时间上升时间。l二是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号二是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号结束结束的迅速程度。其衡量参数为系统

8、的迅速程度。其衡量参数为系统调整时间调整时间。上升时间上升时间系统在阶跃信号作用下，输出响应从零上升系统在阶跃信号作用下，输出响应从零上升到稳定态值所需的时间。到稳定态值所需的时间。上升时间主要取决于系统的上升时间主要取决于系统的：阻尼比：阻尼比越小，上升时间越短。越小，上升时间越短。但阻尼比太小将导致最大超调量（系统输出但阻尼比太小将导致最大超调量（系统输出响应的最大值与稳态值的偏差）和调整时间加大，响应的最大值与稳态值的偏差）和调整时间加大，而影响系统的稳定性。而影响系统的稳定性。调整时间调整时间1、稳定性、稳定性2、精度、精度3、快速响应性、快速响应性系统的稳定性、精度、快速系统的稳定性

9、、精度、快速响应性的要求是响应性的要求是的，的，在进行伺服系统设计时，要首在进行伺服系统设计时，要首先考虑系统的稳定性，然后在先考虑系统的稳定性，然后在满足精度要求的前提下尽量提满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。高系统的快速响应性。其它要求：如调速范围，负其它要求：如调速范围，负载能力，可靠性，寿命，体载能力，可靠性，寿命，体积，质量以及成本等方面的积，质量以及成本等方面的需求。需求。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 首先对伺服系统的设

10、计要求进行分析，明确其应用场首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用场合和目的、基本性能指标及其它性能指标，然后根据现有合和目的、基本性能指标及其它性能指标，然后根据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比，选定一种技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比，选定一种比较合理的方案。比较合理的方案。方案设计应包括：方案设计应包括：控制方式选择；执行元件选择；传控制方式选择；执行元件选择；传感器及其检测装置选择；机械传动及执行机构选择感器及其检测装置选择；机械传动及执行机构选择等。等。方案设计是系统设计的第一步，各构成环节的选择只方案设计是系统设计的第一步，各构成环节的选择只是初步的，还要

11、在详细设计阶段进一步修改确定。是初步的，还要在详细设计阶段进一步修改确定。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 方案设计出来后，尽管各具体结构参数还没有确定，方案设计出来后，尽管各具体结构参数还没有确定，也应根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。也应根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对传递函数及方框图进行化简传递函数及方框图进行化简(一般

12、应简化成二阶以下系统一般应简化成二阶以下系统)，然后在此基础上对系统稳定性、精度及快速响应性进行初然后在此基础上对系统稳定性、精度及快速响应性进行初步分析，其中最主要的是稳定性分析，如不能满足设计要步分析，其中最主要的是稳定性分析，如不能满足设计要求，应考虑修改方案或增加校正环节。求，应考虑修改方案或增加校正环节。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 方案设计中只是对执行元件及传感器进行了初步选型，方案设计中只是对

13、执行元件及传感器进行了初步选型，这一步应根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执这一步应根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执行元件及传感器的参数和型号。行元件及传感器的参数和型号。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙，结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙

14、，尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在设计执行尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在设计执行机构的导轨时要防止会产生机构的导轨时要防止会产生“爬行爬行”现象。现象。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计、机械系统设计5、控制系统设计、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电动机驱动电路等的详细设计，如果采用计算机数字控制，还电动机驱动电路等的详细设计，

15、如果采用计算机数字控制，还应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应注意各环节参数的选择及与机械系统参数的匹配，以使系统具注意各环节参数的选择及与机械系统参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性，并满足精度要求。有足够的稳定裕度和快速响应性，并满足精度要求。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计、机械系统设计5、控制系统设计、控制系统设计6、系统性能复查、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 所有

16、结构参数确定之后，可重新列出系统精确的传所有结构参数确定之后，可重新列出系统精确的传递函数，但实际的伺服系统一般都是高阶系统，因而还递函数，但实际的伺服系统一般都是高阶系统，因而还应进行适当化简，才可进行性能复查。经过复查如发现应进行适当化简，才可进行性能复查。经过复查如发现性能不够理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，性能不够理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，甚至重新设计，直到满意为止。甚至重新设计，直到满意为止。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计、机械系统设计5、

17、控制系统设计、控制系统设计6、系统性能复查、系统性能复查7、系统测试实验、系统测试实验8、系统设计定案 上述设计与分析都还处于理论阶段，实际系统的性能，上述设计与分析都还处于理论阶段，实际系统的性能，还需通过测试实验来确定。测试实验可在模型实验系统上还需通过测试实验来确定。测试实验可在模型实验系统上进行，也可在试制的样机上进行。通过测试实验，往往还进行，也可在试制的样机上进行。通过测试实验，往往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决。会发现一些问题，必须采取措施加以解决。1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择、执行元件

18、及传感器的选择4、机械系统设计、机械系统设计5、控制系统设计、控制系统设计6、系统性能复查、系统性能复查7、系统测试实验、系统测试实验8、系统设计定案、系统设计定案 经过上述经过上述7个步骤及其中多次反复而得到满意的结果后，个步骤及其中多次反复而得到满意的结果后，可以将设计方案确定下来，然后整理设计图样及设计计算可以将设计方案确定下来，然后整理设计图样及设计计算说明书等技术文件，准备投入正式生产。说明书等技术文件，准备投入正式生产。1、步进电机的种类、步进电机的种类2、步进电机的型号、步进电机的型号1、步进电机的种类、步进电机的种类转子：带齿的铁心转子：带齿的铁心（四（四个等距齿）个等距齿）当

19、三对磁极的当三对磁极的绕组依次轮流绕组依次轮流通电，则三对通电，则三对磁极就会依次磁极就会依次轮流产生磁场轮流产生磁场吸引转子转动。吸引转子转动。定子各相轮流定子各相轮流通电状态改变通电状态改变一次，转子转一次，转子转过一个角度过一个角度步距角。步距角。“一步一步”l按ABCABCA顺序轮流通电，步进电机就一步步按逆时针方向旋转。l按ACBACBA.顺序通电，则步进电机顺时针旋转。：每次只有一相绕组通电，每个分配周期共有三种不：每次只有一相绕组通电，每个分配周期共有三种不同的通电状态同的通电状态“三相三拍三相三拍”。缺点：每次只有一相绕组通电，。缺点：每次只有一相绕组通电，在绕组通电切换的瞬间

20、，电动机将失去自锁转矩，容易造成失在绕组通电切换的瞬间，电动机将失去自锁转矩，容易造成失步。步。：ABBCCAAB，每次有二相绕组同时通，每次有二相绕组同时通电，且切换时总有一相保持通电，工作比较稳定。电，且切换时总有一相保持通电，工作比较稳定。：A AB B BC C CA A,A AC C CB B BA A。每次改变通电状态，电机转每次改变通电状态，电机转15。优点：增大了步进电机的。优点：增大了步进电机的稳定区域，工作稳定，改善了步进电机的性能，因此很常用。稳定区域，工作稳定，改善了步进电机的性能，因此很常用。与脉冲个数成正比，它受脉冲信号的控与脉冲个数成正比，它受脉冲信号的控制，每输

21、入一个脉冲，改变一次绕组的通电状态，制，每输入一个脉冲，改变一次绕组的通电状态，电机转过一步（电机转过一步（步距角）。步距角）。通电顺序，改变绕组的通电顺序，转子的通电顺序，改变绕组的通电顺序，转子的旋向随之改变。旋向随之改变。脉冲频率，决定绕组通电状态的变化频率脉冲频率，决定绕组通电状态的变化频率转子的转速。转子的转速。一旦停止送入脉冲，只要保持控一旦停止送入脉冲，只要保持控制绕组电流不变，电动机可以保持在其固定位置，制绕组电流不变，电动机可以保持在其固定位置，不需要机械制动。不需要机械制动。信号发生器：信号发生器：数字脉冲列数字脉冲列频率频率可调；可调；脉冲个数可控。脉冲个数可控。接受接受

22、输入脉冲输入脉冲和方向指令，和方向指令，输出输出电机各相电机各相绕组按规定的绕组按规定的顺序和时间导顺序和时间导通和切断的时通和切断的时序信号。序信号。硬件完成硬件完成：如：如D触发器、触发器、J-K触发器组成，单块触发器组成，单块PMOS、CMOS电路芯片电路芯片 如如YB01X(X=3、4、5、6)（国产（国产TTL集成脉冲分配器）。集成脉冲分配器）。软件完成软件完成：单片机：单片机(89C2051)P1口的几位。按口的几位。按一定的顺序和延迟时间控制各位的输出。一定的顺序和延迟时间控制各位的输出。如：三相单三拍正向：P1.2(A)P1.1(B)P1.0(C)控制字 01H 0 0 1 0

23、2H 0 1 0 04H 1 0 0 反向 01H-04H-02H-01H-功率开关电路功率开关电路，将环形，将环形分配器送来的弱电信号分配器送来的弱电信号变为强电信号，供给步变为强电信号，供给步进电机的各相绕组，它进电机的各相绕组，它应对切换绕组电流时绕应对切换绕组电流时绕组电感所产生的电流具组电感所产生的电流具有很好的抑制作用。有很好的抑制作用。由由硬件完成硬件完成：晶体管的晶闸：晶体管的晶闸管驱动电路（单电压驱动，管驱动电路（单电压驱动，高低电压驱动）。高低电压驱动）。芯片：芯片：L298、MC1413（达（达林顿复合管，适用于林顿复合管，适用于TTL 或或CMOS 逻辑电路）。逻辑电路）。