计算机闭环控制系统原理,闭环伺服控制原理与系统
闭环伺服控制原理与系统
在现代数控加工设备中，尤其是高性能计算机控制设备中，闭环伺服驱动系统因其具有较高的可靠性、较强的抗干扰能力和更高的定位精度等优点而被广泛采用。然而由于其需要引入位置检测模块、反馈回路和误差比较环节等额外环节，在结构设计上相较于开环伺服驱动系统更为复杂，并因此导致相应的调试工作相对更为复杂。
一、 闭环伺服驱动系统的执行元件
随着现代数控技术的进步对执行元件的要求不断提高主要体现在以下几个方面：这不仅提高了系统的精度响应速度和可靠性还增强了系统的灵活性和适应性满足了现代工业发展的需求。
(1) 尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应；
(2) 尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击现象；
尽量提升电机在低速运行时的稳定性与均匀性，并以确保伺服系统在低速运行时的精度。
由于机械加工具有特殊需求，在常规电机无法满足数控机床对伺服控制的需求的情况下
机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。
1.?直流伺服电机
在机床伺服系统领域中应用较为广泛的执行元件是直流伺服电机。通常，在实际应用中使用的都是大功率直驱型 servo 机。尽管它们的构造各异、各有特点,但它们的工作原理与传统的直驱式电动机具有相似之处。
该种装置属于低惯性直驱系统的主要组成部分之一。它主要包括无槽电枢型和其他几种类型的设计方案。
这种装置的工作机制与常规直驱电动机基本一致。
然而，在具体设计上存在显著差异：
- 其电枢铁心中采用平滑空心设计
- 绕组采用环氧树脂固化工艺将绕组紧密固定于铁心中表面
- 该装置的特点还包括较长的轴向长度（与其直径的比例达到或超过5倍）以及显著扩大了气隙宽度（较常规直驱机高出约10倍）
这种设计使得其输出功率范围从几十瓦到10千瓦不等
通常用于那些需要快速响应动作且负载较大的动态系统中
(2) 大功率调速直流力矩发电机。其工作原理如下：这种发电机通过增加转矩来优化动态性能。与常规直流发电机相比，其结构设计较为相似，并多采用永磁电枢控制方式。目前广泛使用的都是永磁电枢控制系统。该设备具有以下显著特点：
(3) 直流伺服电机的脉宽调速原理。主要采用电枢回路电压作为调节手段来实现转速控制。目前最为常用的是基于晶体管脉宽调制器的直流电机调速系统(PWM-M)，该系统具有快速响应能力、高效能、广泛的调节范围以及较低噪声水平等显著优势；其操作简便且可靠性强。
其基本工作原理在于通过大功率晶体管的开关动作实现将直流电压转换为特定频率的方波脉冲电压并施加于直流电机电枢上通过调节这些脉冲信号中占空比的变化来实现对电机转速的有效控制图5-9展示了该系统的总体工作原理图在此系统中开关元件K按照周期性的时间间隔进行开合控制具体而言在一个周期T内开关处于闭合状态的时间为τ而处于断开状态的时间则为T-τ当外加电源电压U保持恒定时施加在电机电枢上的则是一个幅度恒定但占空比可调节变化的方波信号
宽度为τ，如图5--9(b)所示。它的平均值Ua为
(5-2)
其中的δ=τ／T被定义为导通率。当固定T时，在调节τ的情况下可以使电枢电压的平均值从零逐步提升到U。这种操作能够持续地调整电机的速度范围。实际上采用的是使用大功率IGBT来替代传统的开关K。这种系统具有高达2 kHz的开关频率，并且能够实现快速切换动作和高效率的能量转换。
图5—9 PWM 调速系统的电器原理
在图5-9(a)中所示的二极管属于续流二极管。当开关K断开后，在此情况下由于电枢电感La的存在性作用于电机系统中使得其电枢电流能够通过这一路径形成闭合回路从而实现电流流通
图5-9(a)所示的电路仅能实现电机速度单向调节。应采用桥式电路以实现电机双向调速。图5-10所示的桥式电路为PWM-M系统的主回路电气原理图。
图5—10 PWM —M系统的主回路电气原理图
2.?交流伺服电机
新型交流伺服驱动系统作为一种新兴技术不断得到发展，在机床进给驱动领域中扮演着重要角色。该系统通过优化设计成功地解决了传统直流驱动系统的诸多局限性，在较宽的调速范围内都能输出理想的转矩，并且具有结构设计上非常简洁、运行稳定性较高的特点。特别适用于精密位置控制需求的数控机床及类似设备的进给驱动系统。
交流伺服电机的工作运行原理与两相异步电动机具有相似性。但是，在数控机床中它是执行机构的作用。
主要功能是将输入的交流电转化为轴向的角度位移或角速度。
因此转子旋转的速度变化能够反映出控制信号的变化。
特别地，在已启动的情况下如果失去了所有的控制信号则无法运转。
另外当驱动装置已经处于运行状态时一旦失去所有控制信号则会立即停止运转。
而常规感应电动机一旦开始旋转即使失去了所有的控制信号也无法立即停止而是需要一段时间才能停下来。
交流伺服电机由定子和转子组成。分别设有用于产生励磁电流和控制信号的绕组位于定子上，并且这两个绕组的空间位置相差90度电角度。当向两相绕组施加一对幅值相同且相位相差90度电角的对称电压时，在电机气隙中会形成一个圆形旋转磁场。如果这两相电压的有效值不相同或其相位差偏离90度，则会产生一个椭圆形旋转磁场。控制绕组上所加信号的变化不仅影响磁场形状还决定了伺服电机的工作特性。例如，在负载转矩恒定时通过调节控制信号可以使伺服电机的速度得到精确调节交流伺服电机共有三种基本控制系统：基于幅值的比例控制系统基于相位的角度控制系统以及综合运用幅值与相位两种控制手段的比例-角度控制系统图5-11展示了这三种控制系统及其对应的矢量特性
图5—11交流伺服电机的控制方法