伺服控制體系電子控制

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伺服控制系統把檢測輸出量的元件安裝在驅動機械里，把得出的數值當做反饋量和指令，進而實現反饋控制。全閉環伺服控制系統有效彌補了半閉環伺服控制系統的數據精確度低的不足，因為這一系統中，環內每個元件的誤差、系統傳動鏈的誤差與運動過程中的誤差都能得到調整，大大提高了系統跟蹤與定位的精確度。但其調試和維修程序繁雜，成本也非常高。而且它的精確度雖然理論上比半閉環系統高，但在實際應用中，由于溫度的變化、機械的變形以及振動等原因，系統穩定性會受到一定程度的影響。另外，運行一段時間后，機械的傳動元件會出現變形與磨損，這也會降低系統的精確度。所以，一般在性能穩定與使用過程中溫度相對穩定以及高圖1直流無刷電機的系統結構精密度的傳動部件的情況之下，才應用混合伺服控制系統[1]。

1系統的組成

按照被控量是否被反饋與檢測，根據調解理論可以把伺服控制系統細分為開環伺服控制系統、半閉環伺服控制系統和全閉環伺服控制系統。開環伺服控制系統不安裝反饋檢測的設備，以電液脈沖的馬達或者步進電機作為其執行機構里面的驅動元件。這一系統的結構簡單，成本非常低，也方便維修與調試，不過，因為伺服控制系統的誤差得不到校正與補償，開環伺服控制系統的精確度比較低，所以其只能在對精確度要求不高與負載變化較小的場合[2]。半閉環伺服控制系統的傳動鏈的很大一部分在閉環外，在實際應用中，通過間接測量的方法測量到被控量。半閉環賜福控制系統結構簡單，調試安裝方便易行，不過因為其環外傳動的誤差得不到系統的補償，所以精確度比較低。

2系統特點

系統中同時存在半閉環和全閉環兩種類型，一般來說，半閉環主要在系統工作中起到控制作用，半閉環可以令系統工作更加的復雜，所以在系統的配合流程中也就對一些增益的調整更加的要求嚴格，所以這種半閉環方式令系統的通用性和適用性不強[3]。

3系統穩定性與誤差分析

3.1系統穩定性分析

如圖2所示，該系統的設計思路是，內外環合理分工，內環主管動態性能,外環保證穩定性和跟隨精度。為提高系統的跟隨性能,引入由GC!"s組成的前饋通道,構成復合控制系統。由于內部轉角閉環不包含間隙非線性環節,因此通過合理設計該局部線性系統，可使其成為一無超調的快速隨動系統,其動態特性可近似表示為θ0!"sθi!"s＝KθTθs+1式中Kθ———轉角閉環增益；Tθ———轉角閉環時間常數。系統外環,雖然包含了非線性環節,但設計控制器使Gp!"s=Kp/p，式中Kp為積分環節時間常數。將系統校正為I型并合理選擇系統增益，可避免系統的頻率特性曲線與非線性環節的負倒幅曲線相交或將其包圍,從而保證系統穩定工作。顯然當Tθ較小時，θ0!"s/θi!"s=Kθ，系統將具有更強的穩定性。3.2系統誤差分析計算負載力矩：可以加到電機軸上的負載力矩通常由下式算出Tm=F×L2πη+Tf式中Tm———加到電機軸上的負載力矩，Nm；F———沿坐標軸移動一個部件（工作臺或刀架）所需的力，kgf；L———電機轉一轉機床的移動距離，8mm；Tf———滾珠絲杠螺母或軸承加到電機軸上的摩擦力矩，2Nm。

4數控軟件的設計

4.1設計方法

伺服控制系統由控制器、驅動器（即功率放大器）與執行機構3部分組成，其中，控制器最為重要，它負責系統位置、速度、加速度與方向的設定，并直接調控整個系統；驅動器則放大功率；執行機構通過充足功率的輸出對控制對象實行控制，一般來說，執行機構是液壓和氣動部件、電動機。對伺服控制系統來說，最重要的任務是讓系統按照規定的運行軌跡和一定的運動速度運行，從而實現高準確性的定位與跟蹤，進而進行功率的放大，另外，也能為系統提供充足的能量來保證負載根據輸入的指令規律進行運行，保證輸入輸出的偏差在適當的被允許的范圍之內。按照被控量是否被反饋與檢測，根據調解理論可以把伺服控制系統細分為開環伺服控制系統、半閉環伺服控制系統和全閉環伺服控制系統。開環伺服控制系統不安裝反饋檢測的設備，以電液脈沖的馬達或者步進電機作為其執行機構里面的驅動元件。這一系統的結構簡單，成本非常低，也方便維修與調試，不過，因為伺服控制系統的誤差得不到校正與補償，開環伺服控制系統的精確度比較低，所以其只適合于對精確度要求不高與負載變化較小的場合。半閉環伺服控制系統的傳動鏈的很大一部分在閉環外，在實際應用中，通過間接測量的方法測量到被控量。半閉環賜福控制系統結構簡單，調試安裝方便易行，不過因為其環外傳動的誤差得不到系統的補償，所以精確度比較低[4]。

（1）伺服控制理論界對于伺服系統的設計概念有比較多的理解，提法也較為多元化，理論界的共同說法就是其可以對物體運動進行有效的控制，也就是控制物體運動的速度和位置，以促進控制能夠操縱機械運動和工作，減輕人的工作。

（2）伺服組件由伺服電動機、機械減速或耦合機構、伺服控制器以及傳感器等部件組成的伺服組件也是一種機構，是一種一體化的有機伺服機構[5]。

（3）交流電機的伺服控制交流伺服電機主要由內部的永磁體轉子和驅動控制器等形成的，這些電磁場共同構成了交流伺服電機的主體，在電機工作的時候，轉子轉動并且配合磁場進行工作，而且交流伺服電機的編碼器會給予驅動器所有的反饋信號，而驅動器則根據反饋值與編碼的目標值進行比較，以調整轉子轉動的角度。可以說交流伺服電機的精度決定于編碼器的精度。數字積分直線插補的物理意義是使插補點沿著速度矢量的方向進給。采用C語言庫函數inportb()和outportb()可實現對端口數據的讀入和輸出。

4.2數控軟件的設計重點

伺服系統的軟件設計重點主要是內部的控制算法，這種算法的主要原則在于首先將模糊PD與單神經元自適應PID結合，在結合以后得到一種雙模控制算法，這種算法比起其他的控制算法來說更加的精確，很適合運用于機械的操縱上，伺服系統也不例外。其主要的優點在于，模糊雙控制算法的魯棒性很強，在運動控制中有更好的精確性；第二，這種算法在確保交流伺服電機的控制上更加精確，而且能夠更加的實時，他可以將連續的控制器輸入量進行離散化，在這個過程中使用模糊控制會對控制精度帶來消極的影響。而單神經元控制則能控制精度，但是在輸入量變化范圍較大的時候，調整的速度會變慢。因此，結合2種控制算法的優點的雙模控制算法具有很強的適用優勢[6]。為了將模糊PD與單神經元合理的結合起來來確保機械的精確，可以對單神經元的控制進行調節，首先就是對它固有的速度慢的特征進行克服，然后進行DSP的編程來對其進行調整，調整的設定要對位置偏差量較大的角度進行測算，然后再啟動模糊控制器，在模糊控制器起作用的時候，就開始計算，計算公式為U=Uf，同時單神經元自適應控制器的連接權開始沿EU=e2U/2的負梯度方向修正，以便使Un能夠跟蹤到Uf，加快調整速度。而當控制的偏差量Eq減小到用戶能夠接受的程度時，單神經元開始取代模糊控制發揮作用，此時U=Un，單神經元的連接權開始沿Eq=e2q/2的負梯度方向進行修正，一般的，訓練的值包括以下幾個參數：①wij；②高斯函數的參數aij，bij。再通過一定量的訓練之后，可以在在線學習階段將離線訓練好的網絡放入系統試運行，在這個過程中還可以根據定義的目標函數對權值進行微調，但是，在線階段一般只調整wij，以保證系統的實時性和穩定性。

5結束語

該研究主要是為了能夠在DSP和CAN總線技術的基礎上設計出一套比較高性能的全數字化伺服系統。在設計中，采用電流、轉速雙閉環控制方式對永磁同步電動機進行速度和位置控制，對于數控系統的控制采用了專用的芯片來進行開發，在采用了這種方法以后，通過應用軟件部分采用前后臺系統的模式可以適應數控系統的特點和開放性的要求，而且這比起傳統的PC機的優勢更加具備了穩定性和實時性。