位置伺服系统的结构和原理

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位置伺服系统的结构和原理 [复制链接]

位置伺服系统应用很广，例如数控机床中的两个进给轴(y轴和z轴)的驱动；机器人的关节驱动；x-y记录仪中笔的平面位置控制；摄、录像机的磁鼓驱动系统；至于低速速率控制或对瞬时转速有要求时，也必须采用位置伺服控制。显然，步进电动机很适合应用于位置控制，但是在高频响、高精度和低噪声三方面，直流电动机更具有明显的优越性。 1.       经典位置伺服系统的结构 图1 经典位置伺服系统 图1所示为传统或经典的位置伺服系统。图中，旋转式电位器与电动机同轴，电位器的输出电压Vθ与位置成线性关系。位置传感器是系统必不可少的环节。位置调节器将位置给定信号Vg与位置反馈信号Vθ之差值通过调节器进行动态校正，然后送至速率调节器、电流调节器，即经过外环、中环、内环三个闭环调节器的校正再由模拟功率接口驱动伺服电动机，实现位置伺服控制。在这个系统中，位置调节器的作用是使位置给定Vg与Vθ的偏差向最小变化。速度反馈调节器的主要作用是阻尼位置调节过程的超调。电流调节器的作用是减小力矩波动，改善动态响应的快速性，并对最大电流进行限定等。滤波电路的作用是滤除位置或速率传感器输出信号中的谐波信号。以上各环节的参数的设计和整定应根据具体的负载的性质（力矩和惯量的大小），以便满足位置伺服精度的要求。 显然，当负载性质变化时，经典位置伺服系统的硬件参数应该作相应变化，这对于硬件伺服系统是难以进行的。而计算机实现的数字控制系统却很容易实现。经典系统采用模拟功率驱动接口，功率损耗大，性能难提高，目前只在微小功率、低成本和低精度的场合中被采用。 2.       数字控制伺服系统的结构 图2 数字控制伺服系统 图2所示是数字控制伺服系统。它由计算机控制器、PWM功率驱动接口、传感器接口和电机本体四部分组成。计算机的作用是：完成位置信号的设置，根据传感器接口给出的绝对零位脉冲和正、反位置反馈脉冲计算位置偏差，再由纯软件方法或软件硬件结合的方法实现位置、速率和电流反馈控制，产生PWM脉宽调制信号，最后由PWM功率开关接口对电动机进行最终的功率驱动。在这个系统中，由于反馈控制是通过软件实现的，故可以根据负载的性质改变系统参数，求得最佳匹配。信号滤波也可以通过软件实现，更有可能通过计算机补偿技术使传感器精度得以补偿提高。计算机控制在可靠性、小型化、联网群控制等方面的优点都是经典模拟伺服系统无法比拟的。 最后需要指出的是，受计算机控制器速度的影响，全数字化的位置伺服系统的实现还存在一定的困难。 3.       主要接口电路 (1)    功率接口 功率接口电路常称为主回路。直流伺服系统中大多采用脉宽调制（Pulse Width Modulation）技术，简称PWM。小功率PWM功率开关接口均采用全控型功率开关器件，也即自关断器件，例如：GTR、MOSFET和IGBT。它们的主要性能指标可用反向耐压、工作电流和开关频率来表示。三个参数的经验取值为：反向耐压应有2倍以上余量，工作电流应有2~4倍左右余量，开关频率应与实际工作频率相当。功率驱动电路的基本类型如图3所示。其中，H桥功率驱动接口适用于有刷电动机，三相桥功率接口适用于无刷伺服电动机。图中VT1~VT6是大功率晶体管（GTR），也可以采用绝缘栅型的功率晶体管(IGBT)，当然也可以采用场效应管(MOSFET)。D1~D6是续流二极管。由于H桥和三相桥功率接口可以对电动机绕组施加±Us双极性电源，允许电机绕组反向，使电机按正、反两个方向旋转，故这种方法称为双极性驱动器和可逆驱动。功率模块具有更紧凑的结构，每个模块内封装多个功率开关元件和续流二极管，直接构成H桥或三相桥结构。小瓦数功率集成电路内部甚至已经封装入每个功率开关的基极驱动电路。例如L298，它内含双H桥以及基极驱动电路，在功能上已经满足一个完整的功率驱动接口的要求。又如IR2130，可以驱动一块大单元IGBT功率模块，构成完善的功率驱动接口。智能化集成功率驱动模块也已经商品化，例如富士公司的第三代N系列智能模块(IPM)、三菱公司的IPM模块。 图3 功率驱动接口 (a)H桥功率驱动接口 (b)三相桥功率驱动接口 （2）电流反馈接口 在高精度位置伺服系统中电流反馈接口几乎是必不可少的环节。图4是电流反馈接口示意图。电流环一般作成P调节器或PI调节器。电流反馈接口的作用，可以由计算机控制器来代替，此时将构成全数字化位置伺服系统，如图5。然而，目前使用的最普遍的仍是如图4所示的混合式位置伺服系统。在这个系统中，电流采用了模拟电路，虽然增加了硬件，但是，它与全数字化伺服系统相比，为计算机减少了A/D与D/A转换所需的时间占用。 图4 电流反馈接口 （3）位置传感器接口 图5 数字、模拟混合式位置伺服系统 图6 增量式编码器输出信号 位置传感器是必不可少的重要环节。在数字伺服系统中使用最普遍的是增量式光电编码器位置传感元件。当传感器转轴匀速转动时，编码器输出A、B两相脉冲以及绝对零位脉冲Z，如图6所示。若每转一周的脉冲个数为N，则编码器的分辨率为                             Ke=360º/N                                       (1) 转轴的空间绝对位置为                             θn=θ0+KeX                                     (2) 式中   X——脉冲数；        θ0——转子的初始位置。 若以绝对零位脉冲Z为检测的计数起点，则θ0为零，绝对位置变成                          θn=KeX                                       （3） 但是位置伺服系统在进入位置伺服控制前，必须首先检测出输入转角的“绝对零位”，这是由于使用增量式位置传感器带来的缺陷。绝对位置编码器由于价格高，实际系统中很少采用，而旋转式电位器只在微小功率的系统中被采用。 为了反应编码器轴的旋转方向，应采用A、B两相脉冲，再由判别转向的逻辑电路，转换成正转脉冲(Upuls)和反转脉冲(Downpuls)。完整的位置传感器接口如图7(a)所示。图中，鉴相器MC4044的作用是对A、B两相信号进行鉴相，并根据A、B两相信号的超前、滞后关系，选通输出端口，其输入输出波形如图7(b)。 图7 位置传感器接口与工作波形 (a)位置传感器接口   (b)信号波形 4.       PWM脉宽调制方法 位置伺服系统采用双极性驱动，所以PWM脉宽调制也相应采用双极性调制。占空比t/T与信号系数ρ之间的关系为                       t/T=(1+ρ)/2                                     (4) 式中    ρ——电压信号系数，ρ=Ua/Usm，ρ∈(-1,1)；          t——脉冲宽度；          T——脉冲周期。 双极性脉宽调制可以用硬件实现，如图8所示。图中8038是函数发生器IC电路，它可以产生对称的三角波信号。 图8 双极性PWM脉宽调制电路 PWM信号也可以利用微机的软件加以实现。 5.     控制器的结构 根据设计任务的要求（输入与输出），选定控制器结构如图9所示。这是一个由单片机80C552控制的位置伺服系统，它由六个接口电路组成。其中电流反馈（内环）接口和速度反馈接口（中环）均采用模拟电路，这是由于目前单片机的速度（时钟频率）还不能满足电机系统高速性能的要求。在图示的系统中，单片机80C552和PWM0脉宽输出信号由电平转换电路变换成双极性脉宽调制信号（如图9所示）；再由有源滤波电路平滑成连续的电压信号，这个环节的作用类似D/A变换。然后将此电压信号送速度调节器，而后再由电流调节器送至PWM功率接口，如图9所示，显然功率接口应内含PWM调制电路。80C552有四个定时器/计数器，光电编码器占用其中T0、T1两个计数器，编码器的零位脉冲接至中断INT0。80C552具有I2C总线，可用二根(P1.6和P1.7)实现LED液晶显示器接口。键盘接口占P4口，键盘用于位置给定、运行控制及参数给定。 图9 三闭环位置伺服系统 需要指出的是：对于小功率位置伺服系统而言，电流环和速度环并非必不可少，因此，只有一个位置环的实际系统也是很常见的。此时，只要将PWM0直接与PWM功率接口相连接，即去掉如图9所示虚线部分电路，而且PWM功率接口不再需要内含PWM调制电路。显然，这种单闭环的位置伺服系统比三闭环系统简单得多。 在实际应用中当然也有采用双闭环的位置系统，即位置环与速度环配合或电流环配合。无论实际应用系统的控制器结构采用几个闭环，由于速度环、电流环采用模拟电路来实现，这两种附加的环节并不需要软件来实现，所以这类位置伺服系统在软件编程方面是相同的。