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伺服电机设计中的注意事项(WTH)
2020年9月16日

1)伺服控制技术是机电一体化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个重要分支。在选用伺服系统方案时必须首先了解伺服系统的历史沿革,做到心中有数,禁忌盲目性。
  早期的伺服系统都是采用“交磁电动机扩大机一直流电动机”式的驱动方式,由于交磁电动机扩大机的频率响应较差,电动转动部分的转动惯量以及电气时间常数都比较大,因此,响应速度比较慢,控制性能也较差。
  20世纪60年代初期,有关电一液伺服技术的理论日趋完善,从而使电。液伺服系统的应用达到了的高潮,并被广泛地应用于武器、舰船、航空、航天等军事工业部门以及高精度机床控制;它表现出较早期伺服系统无以伦比的快速性、低速平稳性等一系列优点;因此,60年代的伺服系统中,液压控制有优于直流伺服电动机控制的趋向;有一些由电动机拖动的机床给进系统,也相继改成为电一液伺服系统;但是,液压系统存在漏油、维护修理不方便、对油液中的污染物比较敏感、经常发生故障等缺点。
  20世纪60年代机电伺服系统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导体器件——晶闸管问世,由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性上都具有明显的优点;20世纪70年代以来,国际上电力电子技术(即大功率半导体技术)突飞猛进,推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件,如门极关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、场效应晶体管(P—MOsFFT)等。与此同时,随着稀土磁材料的发展和电动机制作技术的进步,相继研制出了力矩电动机、印刷绕组电动机、无槽电动机、大惯量宽调速电动机等性能良好的执行元件,与脉宽调制式装置相配合,使直流电源以1~lOkHz的频率交替地导通和关断,用改变脉冲电压的宽度来改变平均输出电压,从而调节电动机的转速,大大改善了伺服系统的性能。力矩电动机是一种低速电动机,调速范围广、低速平稳性好,平稳转速很低。这样可以用电动机直接拖动负载而省掉中间减速器,从根本上避免了齿隙、空回所带来的一系列问题。无槽电动机是一种小惯量高速电动机,其转动惯量甚至比同样功率的液压马达还小,其调速范围比同功率容量的液压马达还宽,加上机电系统维修简便,成本低廉,对电一液伺服系统形成了有力挑战。
  伺服系统隶属于自控系统的一个重要分支,早先是以经典的频率法进行分析和设计,是以传递函数、拉氏变换和奈氏稳定理论为基础的。20世纪50年代发展了根轨迹法,这种方法是根据闭环传递函数特征方程的根在复平面上的分布,以及开环传递函数的零点和极点情况来判断增益对系统稳定性、动态特性、带宽等重要指标的影响而进行补偿器的设计。这些方法对于解决多变量时变系统是无能为力的。到了20世纪60年代发展了现代控制理论,适用于多变量时变系统,为计算机在伺服系统中的应用奠定了理论基础。随着控制技术的发展,对伺服系统的性能不断提出新的要求。近年来,数字技术的飞速发展,将计算机与伺服控制系统相结合,使计算机成为伺服系统中的一个环节已成为现实。在直流伺服系统中,利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、完成系统的管理、监视等任务,使伺服系统向着智能化方向发展。
  随着大规模集成电路的飞速发展,以及计算机(特别是微处理机)在伺服控制系统中的普遍应用,近年来,构成伺服控制系统的重要组成部分——伺服元件发生了巨大的变革,并且向着便于计算机控制方向发展。为提高控制精度,便于计算机连接,位置、速度等检测元  件趋于数字化、集成化。即使是模拟式的伺服元件亦在向着高精度、低噪声的方向发展。目前.用大功率晶体管PwM控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置,是高精度伺服控制领域应用最为广泛的驱动形式。这种装置能实现宽范围的速度和位置控制,较之常规的驱动方式(交磁电动机扩大机驱动、晶体管线性放大驱动、电一液驱动、晶闸管驱动)具有元可比拟的优点。
  总而言之,微电子学的突飞猛进、大规模集成电路的批量生产、微型计算机的广泛应用,使得伺服技术也获得迅猛发展。其中微处理机使现代控制理论在伺服系统中的应用得到了有力的支持,架起了现代控制论通向伺服系统领域的桥梁,大大改善了控制性能。而电力电子学的成就,又促进了伺服系统的发展。展望未来,新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝着“智能化”方向发展,赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器在近代必将获得最广泛的应用。
  伺服系统总是由若于元、器件组合而成。因此,伺服系统方案的选择要求系统设计师必须熟悉市场上供应的元器件和材料的新情况,及时索取技术产品资料,了解国内外加工工艺和检验技术水平,追踪新元器件、新工艺和新技术的发展,密切注视电力电子学领域的动态。这样,才有可能制定出能付诸实施的、先进合理的设计方案。系统设计师要经过调查研究,在充分掌握上述信息的基础上,结合系统设计的技术要求,制订出系统的结构方案。
  具体地说,要选定系统各主要元部件的形式、确定各部件的接口方式、系统控制方式,确定系统的主干线路、辅助线路及电源形式。同时,进行必要的稳态计算(稳态计算包括:执行元件的计算和选择,功率放大器的选择和计算,敏感元件确定,中间控制电路的确定、传动装置设计等),检验各部件之间输入、输出的功率匹配以及精度,解决信号的有效传递、综合叠加、信号形成与变换,以及级问耦合匹配等问题,作出定量的计算和选择。拟定系统主干线(指模拟控制系统)时,还要为引入的校正补偿装置留有余地,尽量照顾到改善动态性能及综合校正的方便。
  在伺服系统方案的选用时必须做到心中有数,禁忌盲目性。因为伺服系统的服务对象是各种各样的,要概括出一种通用的、行之有效的设计方法是困难的。但伺服系统都是为某一具体的控制对象服务的,因而必须按照对象的特点和需要,制订出技术条件,以作为设计系统可行的依据。控制方案的选择要考虑到许多方面的因素,如系统的性能指标要求;元件的资源和经济性;工作的可靠性和使用寿命;操作和维护是否方便等;亦称可操作性能和可维护性能。通常要经过反复比较,才能最后确定。系统方案的选择,从信号体制的不同,可以选择直流、交流、交直流混合和数字控制等不同方案;从组成系统的回路和对系统的校正方式的不同,可以选取单回路和多回路的不同方案;从系统工作方式的不同,有线性控制和非线性控制的不同方案;从对付外界信号带来系统影响的补偿方式,可以选择前馈控制和补偿控制,亦称复合控制等等。近年来,由于数字计算机的普及,连续控制和离散控制的混合系统无疑是一个重要的技术发展方向。纯直流控制方案在结构上比较简单,容易实现而得到应用;但是直流放大器的漂移较大,这种系统的精度较低,目前只用于精度要求低的场合。全部交流控制方案,这种控制方案结构简单,使用元件少,但测量元件输出的误差信号中,含有较大的剩余电压,这部分电压是由正交分量和高次谐波所组成;当系统的增益较大时,剩余电压可使放大器饱和而堵塞控制信号的通道,使系统无法正常工作,因而这种方案限制了增益的提高,也就限制了控制系统精度的提高;另外,交流校正装置的实现是比较困难的  这给控制系统的调整带来麻烦;由于上述原因,就使得系统精度难以提高,目前全部交流方案应用也较少;通常,应用在精度要求不高的地方;例如航海使用的电罗经,精度要求±O.5。,就是应用全部交流控制方案。在要求较高的控制系统中,一般多采用交直流混合的控制方案;这种方案比全部交流方案增加了相敏检波和滤波环节,有效地抑制了零位的高次谐波和正交分量;同时采用直流校正装置容易实现,使得控制系统的精度得到提高;因而得到广泛采用。在设计和调整中,要注意在交直流变换过程中,尽量少引入新的干扰成分和附加时闻常数,在解调器中应注意滤波器参数的选择。

blob.png  在选择以角度为控制对象伺服系统时,宜采用调相工作的角度随动系统。该系统的输入角由数字装置给出,它以输入方波对基准方波的相位表示。系统的输出角度经测量元件(精密移相器)变成方波电压的相角变化。这样输入和反馈的方波在比相器上进行相位比较,将相位差转换成直流电压,经校正后控制执行电动机转动。调相系统具有很强的抗干扰能力,和计算机连接很方便,采用计算机参与控制,可以使控制更灵活和具有更强的功能。控制系统可由单回路、双回路和多回路构成。单回路的控制系统结构简单,容易实现;一般只能施加串联校正;这种结构在性能上存在下列缺陷:对系统参数变化比较敏感,其参数变化全部反映在闭环传递函数的变化中;抑制于扰能力差,单回路控制系统难于抑制干扰作用的影响;另外,在单回路系统中,如果系统的指标要求较高,系统的增益应当较大,则系统通过串联校正很可能难以实现,必须改变系统结构;出于上述原因,单回路控制系统只适用于被控对象比较简单,性能指标要求不很高的情况。在要求较高的控制系统中,一般采用双回路和多回路的结构;双回路是在单回路(可选择串联校正装置)中增加局部反馈(可选择并联校正装置),由于有了局部反馈,可以充分用来抑制于扰作用,而且当有关部件参数变化很大时,局部闭环可以快速削弱它的影响;一般局部闭环是引入速度反馈,控制系统引入速度反馈还可改善系统的低速性能和动态品质;选择局部闭环的原则如下:一方面要包围干扰作用点及参数变化较大的环节,同时又不要使局部闭环的阶次过高(一般不得高于三阶)。除了上述双回路的控制方案之外,还有按干扰控制的多回路控制方案,亦称复合控制方案;反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的,只有当被控参数发生变化时,才能形成偏差,从而才有控制作用;复合控制则是在偏差出现以前,就产生控制作用,它属于开环控翎方式,又称前馈控制或顺馈控制或开环补偿;引入前馈控制的目的之一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差、加速度误差等;补偿控制是对外界干扰进行补偿,当外界干扰可检测时,通过补偿网络,引八补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响;并且理论上干扰对系统的作用可得到完全的补偿,亦称控制系统对于扰实现了完全的不变;但在实际系统中,由于干扰源较多,而且测量往往不易准确,网络的构成也存在困难,因此完全补偿是不可能实现的,只能做到近似补偿,也称近似不变性。
  在选择方案时还应特别注意,选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。
  但是,针对不同的使用环境,选择方案的出发点就不同。例如,对军用伺服系统应多注意工作品质、可靠性和灵活性;而对民用工业的伺服系统,还需考虑长期运行的经济条件;系统在室内还是在室外工作、湿度变化范围、电气元件是否要密封;采用模拟控制有利还是数字控制有利等。当系统运行速度很高,且经常处于加速度状态,并对精度的要求又较高时,可以考虑设计二阶无静差的伺服系统或者采用复合控制系统。当然二阶无静差系统的稳定性不高,当机械传动的间隙稍大时易产生自振荡。负载需要调速范围很宽时,一般对执行电动机  的选择须十分慎重。对负载需要高速旋转、且低速要求又很严时,一般选择无槽电动机为宜。但通常电动机与负载之间需要齿轮耦合。为了提高刚性,在高性能系统中,一般宜选择大惯量宽调速的低速伺服电动机,采用直接耦合传动方案。对于敏感元件,一般以采用无触点敏感元件为好。另外,在制定方案的同时,必须认真考虑电磁兼容性要求。
  总之,选择方案时应首先根据系统的主要要求,初步拟订一个方案,进行可行性分析;然后做删。些实验和性能分析,进一步补充和完善;有时往往需要同时构思几个方案进行对比优化。等待方案确定后便可按照设计步骤逐项进行,也可以在实验中作局部修改。
  2)设计伺服系统必须按照用户所提出的要求,主要是依据被控对象工作的性质和特点,明确对伺服系统的基本性能要求;同时要充分了解市场上器材、元件的供应情况,了解它们的性能质量、品种规格、价格与售后服务;了解新技术、新工艺的发展动态。在通盘、全面考虑的基础上才能着手设计,蔡忌顾此失彼、闭门造车。
  在设计伺服系统时,首先要拟订一个设计方案,这个方案通常是个粗线条的、大概性的描述,在此基础上才便于开展定量的工程设计计算及工程试验,使设计方案逐步具体细化,以指导工程实践。
  设计方案主要包含系统的构成及各主要元、器件采用什么类型?系统的输入采用什么形式?是机械位移(或转角)?是模拟电量,还是数码信号?相应的系统输出机械转角(或直线位移)采用什么类型的检测装置?系统的执行元件是采用交流伺服电动机,还是直流伺服电动机,或是采用液压马达?相应的功率驱动装置打算选用什么类型?系统位置闭环是采用模拟器比较,还是采用数字量比较?系统各主要元、部件之间相互连接的形式,以及信号传递、信号转换的形式。这些问题在制订方案时应有通盘的考虑。伺服技术发展很快,种类繁多,新元件、新方法在伺服系统中的应用层出不穷,可供设计者挑选的余地很宽。
  伺服系统总是为某个具体的被控对象服务的,常是整个装置的~个组成部分,因此制订伺服系统设计方案时,不能脱离被控对象的实际情况,要仔细分析它对伺服系统的性能有哪要求。伺服系统工作的环境条件,整个装置对伺服系统的结构尺寸、体积、重量、安装条件有哪些限制?为伺服系统所提供的能源条件等等。这些总是在制订系统方案时应全面考虑到。例如有些设备工作于露天野外环境,没有什么防护设备,它所需要的伺服系统应能经受风雷、雨淋,系统各组成部分(特别是检测元件、执行电动机等需要运动的部件)均应采用密必性好的封闭形式,并要具有在一40~+50℃环境下正常工作的能力。
  又例如有些设备只能为伺服系统提供直流低压(如30V)电源,伺服系统主要消耗功率的部分是执行电动机及其功率驱动装置,低压的直流伺服电动机有现成的产品系列可供选择,而选用交流伺服电动机则要单独配置交流电源,着适应低压直流电源配置逆变器和相应的交流伺服电动机,因无现成的产品而需新设计研究,这就增加了伺服系统研制的经费和研制周期。总之,进行饲服系统方案选择时,要考虑实际需要与实现的可能性。可以提出多个方案进行全面的分析对比,选一个更切合实际的方案。
  从控制原理上考虑,制订设计方案时亦应明确:是设计成线性连续的系统,还是设计成数字式的?可变结构的,或是具有非线性特性的?就是明确了设计成线性连续的系统,还需要明确是设计成I型系统,还是Ⅱ型的或更高型的系统?打算用PI调节器,还是采用前馈加反馈(即复合控制方式)?甚至对系统的补偿是打算用串联补偿,还是采用状态反馈?这些问题在制订方案时也应有所考虑,事先考虑充分、周到,整个设计工作会少走许多弯路,设计的结果会少一些缺陷。
  此外,伺服系统的制造成本、系统的寿命与可维修性,系统组成的标准化程度等,这些也是选择方案时需要考虑的,特别是对有一定批量的产品,这些问题更显得突出。
  制订系统设计方案是件综合平衡的工作,要求设计者作广泛地、深入地调整研究,仔细地分析实际需要,认真地探讨各种实现的可能性。对新元件、新技术的出现要敏感,要善于吸取,以推动伺服技术的发展。
  总之,在伺服设计系统时,要注意综合考虑。因对伺服系统性能的要求是多方面的,每步设计都要将相关问题充分考虑周到;要善于综合平衡,灵活应用,禁忌顾此失彼,生搬硬套。并且这些设计思想,在具体到每一步设计中,都会涉及到,请设计者格外留意。




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