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    伺服電機設計中的注意事項(WTH)
    2020年10月22日

    1)伺服控制技術是機電一體化學科中與產業部門聯系最緊密、服務最廣泛的一個重要分支。在選用伺服系統方案時必須首先了解伺服系統的歷史沿革,做到心中有數,禁忌盲目性。
      早期的伺服系統都是采用“交磁電動機擴大機一直流電動機”式的驅動方式,由于交磁電動機擴大機的頻率響應較差,電動轉動部分的轉動慣量以及電氣時間常數都比較大,因此,響應速度比較慢,控制性能也較差。
      20世紀60年代初期,有關電一液伺服技術的理論日趨完善,從而使電。液伺服系統的應用達到了的高潮,并被廣泛地應用于武器、艦船、航空、航天等軍事工業部門以及高精度機床控制;它表現出較早期伺服系統無以倫比的快速性、低速平穩性等一系列優點;因此,60年代的伺服系統中,液壓控制有優于直流伺服電動機控制的趨向;有一些由電動機拖動的機床給進系統,也相繼改成為電一液伺服系統;但是,液壓系統存在漏油、維護修理不方便、對油液中的污染物比較敏感、經常發生故障等缺點。
      20世紀60年代機電伺服系統在一些重要元器件的性能上有新的突破,尤其是可控的大功率半導體器件——晶閘管問世,由它組成的靜止式可控整流裝置無論在運行性能還是可靠性上都具有明顯的優點;20世紀70年代以來,國際上電力電子技術(即大功率半導體技術)突飛猛進,推出了新一代的開和關都能控制的“全控式”電力電子器件,如門極關斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、場效應晶體管(P—MOsFFT)等。與此同時,隨著稀土磁材料的發展和電動機制作技術的進步,相繼研制出了力矩電動機、印刷繞組電動機、無槽電動機、大慣量寬調速電動機等性能良好的執行元件,與脈寬調制式裝置相配合,使直流電源以1~lOkHz的頻率交替地導通和關斷,用改變脈沖電壓的寬度來改變平均輸出電壓,從而調節電動機的轉速,大大改善了伺服系統的性能。力矩電動機是一種低速電動機,調速范圍廣、低速平穩性好,平穩轉速很低。這樣可以用電動機直接拖動負載而省掉中間減速器,從根本上避免了齒隙、空回所帶來的一系列問題。無槽電動機是一種小慣量高速電動機,其轉動慣量甚至比同樣功率的液壓馬達還小,其調速范圍比同功率容量的液壓馬達還寬,加上機電系統維修簡便,成本低廉,對電一液伺服系統形成了有力挑戰。
      伺服系統隸屬于自控系統的一個重要分支,早先是以經典的頻率法進行分析和設計,是以傳遞函數、拉氏變換和奈氏穩定理論為基礎的。20世紀50年代發展了根軌跡法,這種方法是根據閉環傳遞函數特征方程的根在復平面上的分布,以及開環傳遞函數的零點和極點情況來判斷增益對系統穩定性、動態特性、帶寬等重要指標的影響而進行補償器的設計。這些方法對于解決多變量時變系統是無能為力的。到了20世紀60年代發展了現代控制理論,適用于多變量時變系統,為計算機在伺服系統中的應用奠定了理論基礎。隨著控制技術的發展,對伺服系統的性能不斷提出新的要求。近年來,數字技術的飛速發展,將計算機與伺服控制系統相結合,使計算機成為伺服系統中的一個環節已成為現實。在直流伺服系統中,利用計算機來完成系統的校正、改變伺服系統的增益、帶寬、完成系統的管理、監視等任務,使伺服系統向著智能化方向發展。
      隨著大規模集成電路的飛速發展,以及計算機(特別是微處理機)在伺服控制系統中的普遍應用,近年來,構成伺服控制系統的重要組成部分——伺服元件發生了巨大的變革,并且向著便于計算機控制方向發展。為提高控制精度,便于計算機連接,位置、速度等檢測元  件趨于數字化、集成化。即使是模擬式的伺服元件亦在向著高精度、低噪聲的方向發展。目前.用大功率晶體管PwM控制的永磁式直流伺服電動機驅動裝置,是高精度伺服控制領域應用最為廣泛的驅動形式。這種裝置能實現寬范圍的速度和位置控制,較之常規的驅動方式(交磁電動機擴大機驅動、晶體管線性放大驅動、電一液驅動、晶閘管驅動)具有元可比擬的優點。
      總而言之,微電子學的突飛猛進、大規模集成電路的批量生產、微型計算機的廣泛應用,使得伺服技術也獲得迅猛發展。其中微處理機使現代控制理論在伺服系統中的應用得到了有力的支持,架起了現代控制論通向伺服系統領域的橋梁,大大改善了控制性能。而電力電子學的成就,又促進了伺服系統的發展。展望未來,新器件、新理論、新技術必將驅使伺服系統朝著“智能化”方向發展,賦予人工智能特性的伺服系統以及智能控制器在近代必將獲得最廣泛的應用。
      伺服系統總是由若于元、器件組合而成。因此,伺服系統方案的選擇要求系統設計師必須熟悉市場上供應的元器件和材料的新情況,及時索取技術產品資料,了解國內外加工工藝和檢驗技術水平,追蹤新元器件、新工藝和新技術的發展,密切注視電力電子學領域的動態。這樣,才有可能制定出能付諸實施的、先進合理的設計方案。系統設計師要經過調查研究,在充分掌握上述信息的基礎上,結合系統設計的技術要求,制訂出系統的結構方案。
      具體地說,要選定系統各主要元部件的形式、確定各部件的接口方式、系統控制方式,確定系統的主干線路、輔助線路及電源形式。同時,進行必要的穩態計算(穩態計算包括:執行元件的計算和選擇,功率放大器的選擇和計算,敏感元件確定,中間控制電路的確定、傳動裝置設計等),檢驗各部件之間輸入、輸出的功率匹配以及精度,解決信號的有效傳遞、綜合疊加、信號形成與變換,以及級問耦合匹配等問題,作出定量的計算和選擇。擬定系統主干線(指模擬控制系統)時,還要為引入的校正補償裝置留有余地,盡量照顧到改善動態性能及綜合校正的方便。
      在伺服系統方案的選用時必須做到心中有數,禁忌盲目性。因為伺服系統的服務對象是各種各樣的,要概括出一種通用的、行之有效的設計方法是困難的。但伺服系統都是為某一具體的控制對象服務的,因而必須按照對象的特點和需要,制訂出技術條件,以作為設計系統可行的依據。控制方案的選擇要考慮到許多方面的因素,如系統的性能指標要求;元件的資源和經濟性;工作的可靠性和使用壽命;操作和維護是否方便等;亦稱可操作性能和可維護性能。通常要經過反復比較,才能最后確定。系統方案的選擇,從信號體制的不同,可以選擇直流、交流、交直流混合和數字控制等不同方案;從組成系統的回路和對系統的校正方式的不同,可以選取單回路和多回路的不同方案;從系統工作方式的不同,有線性控制和非線性控制的不同方案;從對付外界信號帶來系統影響的補償方式,可以選擇前饋控制和補償控制,亦稱復合控制等等。近年來,由于數字計算機的普及,連續控制和離散控制的混合系統無疑是一個重要的技術發展方向。純直流控制方案在結構上比較簡單,容易實現而得到應用;但是直流放大器的漂移較大,這種系統的精度較低,目前只用于精度要求低的場合。全部交流控制方案,這種控制方案結構簡單,使用元件少,但測量元件輸出的誤差信號中,含有較大的剩余電壓,這部分電壓是由正交分量和高次諧波所組成;當系統的增益較大時,剩余電壓可使放大器飽和而堵塞控制信號的通道,使系統無法正常工作,因而這種方案限制了增益的提高,也就限制了控制系統精度的提高;另外,交流校正裝置的實現是比較困難的  這給控制系統的調整帶來麻煩;由于上述原因,就使得系統精度難以提高,目前全部交流方案應用也較少;通常,應用在精度要求不高的地方;例如航海使用的電羅經,精度要求±O.5。,就是應用全部交流控制方案。在要求較高的控制系統中,一般多采用交直流混合的控制方案;這種方案比全部交流方案增加了相敏檢波和濾波環節,有效地抑制了零位的高次諧波和正交分量;同時采用直流校正裝置容易實現,使得控制系統的精度得到提高;因而得到廣泛采用。在設計和調整中,要注意在交直流變換過程中,盡量少引入新的干擾成分和附加時聞常數,在解調器中應注意濾波器參數的選擇。

    blob.png  在選擇以角度為控制對象伺服系統時,宜采用調相工作的角度隨動系統。該系統的輸入角由數字裝置給出,它以輸入方波對基準方波的相位表示。系統的輸出角度經測量元件(精密移相器)變成方波電壓的相角變化。這樣輸入和反饋的方波在比相器上進行相位比較,將相位差轉換成直流電壓,經校正后控制執行電動機轉動。調相系統具有很強的抗干擾能力,和計算機連接很方便,采用計算機參與控制,可以使控制更靈活和具有更強的功能。控制系統可由單回路、雙回路和多回路構成。單回路的控制系統結構簡單,容易實現;一般只能施加串聯校正;這種結構在性能上存在下列缺陷:對系統參數變化比較敏感,其參數變化全部反映在閉環傳遞函數的變化中;抑制于擾能力差,單回路控制系統難于抑制干擾作用的影響;另外,在單回路系統中,如果系統的指標要求較高,系統的增益應當較大,則系統通過串聯校正很可能難以實現,必須改變系統結構;出于上述原因,單回路控制系統只適用于被控對象比較簡單,性能指標要求不很高的情況。在要求較高的控制系統中,一般采用雙回路和多回路的結構;雙回路是在單回路(可選擇串聯校正裝置)中增加局部反饋(可選擇并聯校正裝置),由于有了局部反饋,可以充分用來抑制于擾作用,而且當有關部件參數變化很大時,局部閉環可以快速削弱它的影響;一般局部閉環是引入速度反饋,控制系統引入速度反饋還可改善系統的低速性能和動態品質;選擇局部閉環的原則如下:一方面要包圍干擾作用點及參數變化較大的環節,同時又不要使局部閉環的階次過高(一般不得高于三階)。除了上述雙回路的控制方案之外,還有按干擾控制的多回路控制方案,亦稱復合控制方案;反饋控制是按照被控參數的偏差進行控制的,只有當被控參數發生變化時,才能形成偏差,從而才有控制作用;復合控制則是在偏差出現以前,就產生控制作用,它屬于開環控翎方式,又稱前饋控制或順饋控制或開環補償;引入前饋控制的目的之一是補償系統在跟蹤過程中產生的速度誤差、加速度誤差等;補償控制是對外界干擾進行補償,當外界干擾可檢測時,通過補償網絡,引八補償信號可以抵消干擾作用對輸出的影響;并且理論上干擾對系統的作用可得到完全的補償,亦稱控制系統對于擾實現了完全的不變;但在實際系統中,由于干擾源較多,而且測量往往不易準確,網絡的構成也存在困難,因此完全補償是不可能實現的,只能做到近似補償,也稱近似不變性。
      在選擇方案時還應特別注意,選擇方案最基本的依據就是用戶對系統的主要技術要求。
      但是,針對不同的使用環境,選擇方案的出發點就不同。例如,對軍用伺服系統應多注意工作品質、可靠性和靈活性;而對民用工業的伺服系統,還需考慮長期運行的經濟條件;系統在室內還是在室外工作、濕度變化范圍、電氣元件是否要密封;采用模擬控制有利還是數字控制有利等。當系統運行速度很高,且經常處于加速度狀態,并對精度的要求又較高時,可以考慮設計二階無靜差的伺服系統或者采用復合控制系統。當然二階無靜差系統的穩定性不高,當機械傳動的間隙稍大時易產生自振蕩。負載需要調速范圍很寬時,一般對執行電動機  的選擇須十分慎重。對負載需要高速旋轉、且低速要求又很嚴時,一般選擇無槽電動機為宜。但通常電動機與負載之間需要齒輪耦合。為了提高剛性,在高性能系統中,一般宜選擇大慣量寬調速的低速伺服電動機,采用直接耦合傳動方案。對于敏感元件,一般以采用無觸點敏感元件為好。另外,在制定方案的同時,必須認真考慮電磁兼容性要求。
      總之,選擇方案時應首先根據系統的主要要求,初步擬訂一個方案,進行可行性分析;然后做刪。些實驗和性能分析,進一步補充和完善;有時往往需要同時構思幾個方案進行對比優化。等待方案確定后便可按照設計步驟逐項進行,也可以在實驗中作局部修改。
      2)設計伺服系統必須按照用戶所提出的要求,主要是依據被控對象工作的性質和特點,明確對伺服系統的基本性能要求;同時要充分了解市場上器材、元件的供應情況,了解它們的性能質量、品種規格、價格與售后服務;了解新技術、新工藝的發展動態。在通盤、全面考慮的基礎上才能著手設計,蔡忌顧此失彼、閉門造車。
      在設計伺服系統時,首先要擬訂一個設計方案,這個方案通常是個粗線條的、大概性的描述,在此基礎上才便于開展定量的工程設計計算及工程試驗,使設計方案逐步具體細化,以指導工程實踐。
      設計方案主要包含系統的構成及各主要元、器件采用什么類型?系統的輸入采用什么形式?是機械位移(或轉角)?是模擬電量,還是數碼信號?相應的系統輸出機械轉角(或直線位移)采用什么類型的檢測裝置?系統的執行元件是采用交流伺服電動機,還是直流伺服電動機,或是采用液壓馬達?相應的功率驅動裝置打算選用什么類型?系統位置閉環是采用模擬器比較,還是采用數字量比較?系統各主要元、部件之間相互連接的形式,以及信號傳遞、信號轉換的形式。這些問題在制訂方案時應有通盤的考慮。伺服技術發展很快,種類繁多,新元件、新方法在伺服系統中的應用層出不窮,可供設計者挑選的余地很寬。
      伺服系統總是為某個具體的被控對象服務的,常是整個裝置的~個組成部分,因此制訂伺服系統設計方案時,不能脫離被控對象的實際情況,要仔細分析它對伺服系統的性能有哪要求。伺服系統工作的環境條件,整個裝置對伺服系統的結構尺寸、體積、重量、安裝條件有哪些限制?為伺服系統所提供的能源條件等等。這些總是在制訂系統方案時應全面考慮到。例如有些設備工作于露天野外環境,沒有什么防護設備,它所需要的伺服系統應能經受風雷、雨淋,系統各組成部分(特別是檢測元件、執行電動機等需要運動的部件)均應采用密必性好的封閉形式,并要具有在一40~+50℃環境下正常工作的能力。
      又例如有些設備只能為伺服系統提供直流低壓(如30V)電源,伺服系統主要消耗功率的部分是執行電動機及其功率驅動裝置,低壓的直流伺服電動機有現成的產品系列可供選擇,而選用交流伺服電動機則要單獨配置交流電源,著適應低壓直流電源配置逆變器和相應的交流伺服電動機,因無現成的產品而需新設計研究,這就增加了伺服系統研制的經費和研制周期。總之,進行飼服系統方案選擇時,要考慮實際需要與實現的可能性。可以提出多個方案進行全面的分析對比,選一個更切合實際的方案。
      從控制原理上考慮,制訂設計方案時亦應明確:是設計成線性連續的系統,還是設計成數字式的?可變結構的,或是具有非線性特性的?就是明確了設計成線性連續的系統,還需要明確是設計成I型系統,還是Ⅱ型的或更高型的系統?打算用PI調節器,還是采用前饋加反饋(即復合控制方式)?甚至對系統的補償是打算用串聯補償,還是采用狀態反饋?這些問題在制訂方案時也應有所考慮,事先考慮充分、周到,整個設計工作會少走許多彎路,設計的結果會少一些缺陷。
      此外,伺服系統的制造成本、系統的壽命與可維修性,系統組成的標準化程度等,這些也是選擇方案時需要考慮的,特別是對有一定批量的產品,這些問題更顯得突出。
      制訂系統設計方案是件綜合平衡的工作,要求設計者作廣泛地、深入地調整研究,仔細地分析實際需要,認真地探討各種實現的可能性。對新元件、新技術的出現要敏感,要善于吸取,以推動伺服技術的發展。
      總之,在伺服設計系統時,要注意綜合考慮。因對伺服系統性能的要求是多方面的,每步設計都要將相關問題充分考慮周到;要善于綜合平衡,靈活應用,禁忌顧此失彼,生搬硬套。并且這些設計思想,在具體到每一步設計中,都會涉及到,請設計者格外留意。




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