伺服控制体系电子控制

导语：伺服控制体系电子控制一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

伺服控制系统把检测输出量的元件安装在驱动机械里，把得出的数值当做反馈量和指令，进而实现反馈控制。全闭环伺服控制系统有效弥补了半闭环伺服控制系统的数据精确度低的不足，因为这一系统中，环内每个元件的误差、系统传动链的误差与运动过程中的误差都能得到调整，大大提高了系统跟踪与定位的精确度。但其调试和维修程序繁杂，成本也非常高。而且它的精确度虽然理论上比半闭环系统高，但在实际应用中，由于温度的变化、机械的变形以及振动等原因，系统稳定性会受到一定程度的影响。另外，运行一段时间后，机械的传动元件会出现变形与磨损，这也会降低系统的精确度。所以，一般在性能稳定与使用过程中温度相对稳定以及高图1直流无刷电机的系统结构精密度的传动部件的情况之下，才应用混合伺服控制系统[1]。

1系统的组成

按照被控量是否被反馈与检测，根据调解理论可以把伺服控制系统细分为开环伺服控制系统、半闭环伺服控制系统和全闭环伺服控制系统。开环伺服控制系统不安装反馈检测的设备，以电液脉冲的马达或者步进电机作为其执行机构里面的驱动元件。这一系统的结构简单，成本非常低，也方便维修与调试，不过，因为伺服控制系统的误差得不到校正与补偿，开环伺服控制系统的精确度比较低，所以其只能在对精确度要求不高与负载变化较小的场合[2]。半闭环伺服控制系统的传动链的很大一部分在闭环外，在实际应用中，通过间接测量的方法测量到被控量。半闭环赐福控制系统结构简单，调试安装方便易行，不过因为其环外传动的误差得不到系统的补偿，所以精确度比较低。

2系统特点

系统中同时存在半闭环和全闭环两种类型，一般来说，半闭环主要在系统工作中起到控制作用，半闭环可以令系统工作更加的复杂，所以在系统的配合流程中也就对一些增益的调整更加的要求严格，所以这种半闭环方式令系统的通用性和适用性不强[3]。

3系统稳定性与误差分析

3.1系统稳定性分析

如图2所示，该系统的设计思路是，内外环合理分工，内环主管动态性能,外环保证稳定性和跟随精度。为提高系统的跟随性能,引入由GC!"s组成的前馈通道,构成复合控制系统。由于内部转角闭环不包含间隙非线性环节,因此通过合理设计该局部线性系统，可使其成为一无超调的快速随动系统,其动态特性可近似表示为θ0!"sθi!"s＝KθTθs+1式中Kθ———转角闭环增益；Tθ———转角闭环时间常数。系统外环,虽然包含了非线性环节,但设计控制器使Gp!"s=Kp/p，式中Kp为积分环节时间常数。将系统校正为I型并合理选择系统增益，可避免系统的频率特性曲线与非线性环节的负倒幅曲线相交或将其包围,从而保证系统稳定工作。显然当Tθ较小时，θ0!"s/θi!"s=Kθ，系统将具有更强的稳定性。3.2系统误差分析计算负载力矩：可以加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出Tm=F×L2πη+Tf式中Tm———加到电机轴上的负载力矩，Nm；F———沿坐标轴移动一个部件（工作台或刀架）所需的力，kgf；L———电机转一转机床的移动距离，8mm；Tf———滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩，2Nm。

4数控软件的设计

4.1设计方法

伺服控制系统由控制器、驱动器（即功率放大器）与执行机构3部分组成，其中，控制器最为重要，它负责系统位置、速度、加速度与方向的设定，并直接调控整个系统；驱动器则放大功率；执行机构通过充足功率的输出对控制对象实行控制，一般来说，执行机构是液压和气动部件、电动机。对伺服控制系统来说，最重要的任务是让系统按照规定的运行轨迹和一定的运动速度运行，从而实现高准确性的定位与跟踪，进而进行功率的放大，另外，也能为系统提供充足的能量来保证负载根据输入的指令规律进行运行，保证输入输出的偏差在适当的被允许的范围之内。按照被控量是否被反馈与检测，根据调解理论可以把伺服控制系统细分为开环伺服控制系统、半闭环伺服控制系统和全闭环伺服控制系统。开环伺服控制系统不安装反馈检测的设备，以电液脉冲的马达或者步进电机作为其执行机构里面的驱动元件。这一系统的结构简单，成本非常低，也方便维修与调试，不过，因为伺服控制系统的误差得不到校正与补偿，开环伺服控制系统的精确度比较低，所以其只适合于对精确度要求不高与负载变化较小的场合。半闭环伺服控制系统的传动链的很大一部分在闭环外，在实际应用中，通过间接测量的方法测量到被控量。半闭环赐福控制系统结构简单，调试安装方便易行，不过因为其环外传动的误差得不到系统的补偿，所以精确度比较低[4]。

（1）伺服控制理论界对于伺服系统的设计概念有比较多的理解，提法也较为多元化，理论界的共同说法就是其可以对物体运动进行有效的控制，也就是控制物体运动的速度和位置，以促进控制能够操纵机械运动和工作，减轻人的工作。

（2）伺服组件由伺服电动机、机械减速或耦合机构、伺服控制器以及传感器等部件组成的伺服组件也是一种机构，是一种一体化的有机伺服机构[5]。

（3）交流电机的伺服控制交流伺服电机主要由内部的永磁体转子和驱动控制器等形成的，这些电磁场共同构成了交流伺服电机的主体，在电机工作的时候，转子转动并且配合磁场进行工作，而且交流伺服电机的编码器会给予驱动器所有的反馈信号，而驱动器则根据反馈值与编码的目标值进行比较，以调整转子转动的角度。可以说交流伺服电机的精度决定于编码器的精度。数字积分直线插补的物理意义是使插补点沿着速度矢量的方向进给。采用C语言库函数inportb()和outportb()可实现对端口数据的读入和输出。

4.2数控软件的设计重点

伺服系统的软件设计重点主要是内部的控制算法，这种算法的主要原则在于首先将模糊PD与单神经元自适应PID结合，在结合以后得到一种双模控制算法，这种算法比起其他的控制算法来说更加的精确，很适合运用于机械的操纵上，伺服系统也不例外。其主要的优点在于，模糊双控制算法的鲁棒性很强，在运动控制中有更好的精确性；第二，这种算法在确保交流伺服电机的控制上更加精确，而且能够更加的实时，他可以将连续的控制器输入量进行离散化，在这个过程中使用模糊控制会对控制精度带来消极的影响。而单神经元控制则能控制精度，但是在输入量变化范围较大的时候，调整的速度会变慢。因此，结合2种控制算法的优点的双模控制算法具有很强的适用优势[6]。为了将模糊PD与单神经元合理的结合起来来确保机械的精确，可以对单神经元的控制进行调节，首先就是对它固有的速度慢的特征进行克服，然后进行DSP的编程来对其进行调整，调整的设定要对位置偏差量较大的角度进行测算，然后再启动模糊控制器，在模糊控制器起作用的时候，就开始计算，计算公式为U=Uf，同时单神经元自适应控制器的连接权开始沿EU=e2U/2的负梯度方向修正，以便使Un能够跟踪到Uf，加快调整速度。而当控制的偏差量Eq减小到用户能够接受的程度时，单神经元开始取代模糊控制发挥作用，此时U=Un，单神经元的连接权开始沿Eq=e2q/2的负梯度方向进行修正，一般的，训练的值包括以下几个参数：①wij；②高斯函数的参数aij，bij。再通过一定量的训练之后，可以在在线学习阶段将离线训练好的网络放入系统试运行，在这个过程中还可以根据定义的目标函数对权值进行微调，但是，在线阶段一般只调整wij，以保证系统的实时性和稳定性。

5结束语

该研究主要是为了能够在DSP和CAN总线技术的基础上设计出一套比较高性能的全数字化伺服系统。在设计中，采用电流、转速双闭环控制方式对永磁同步电动机进行速度和位置控制，对于数控系统的控制采用了专用的芯片来进行开发，在采用了这种方法以后，通过应用软件部分采用前后台系统的模式可以适应数控系统的特点和开放性的要求，而且这比起传统的PC机的优势更加具备了稳定性和实时性。