单位文秘网 2021-07-06 08:10:43 点击: 次
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一、伺服系统及其构成
伺服系统(Servo system)也叫随动系统,是自动控制系统的一种。光机电一体化系统中的伺服系统,以机械量(如位移、速度、加速度、力和力矩等)作为控制量,在控制指令作用下驱动执行元件,使机械的运动部件按照控制指令的要求运动,并满足一定的性能指标。伺服系统的基本要求是使系统的输出量能够快速而精确地跟随输入指令的变化规律。伺服系统通常具有负反馈的闭环控制系统,也有采用开环控制系统。伺服系统服务的对象很多,如计算机光盘驱动控制、弧焊机器人轨迹控制、雷达跟踪系统等,都需要使用伺服系统。虽然服务对象的运动部件、检测部件以及机械结构等不同,对伺服系统的要求有差别,但所有伺服系统的共同点则是带动控制对象按照指定规律作机械运动。伺服系统的一般组成可描述为图1所示的形式。
伺服系统的执行元件是机械部件和电子装置的接口,功能是根据控制器发出的控制指令,将能量转换为机械部件运动的机械能。根据执行元件能量转换形式的不同,可以分为电气元件、液压元件和气压元件3种。伺服系统的执行元件可由3种元件独立构成,也可以互相组合。如完全由电气元件组成的电气伺服系统,由电气和液压元件组合的电气一液压伺服系统等等。电气执行元件也就是通常所说的电机,具有能源易获取、干净无污染、控制性能良好等优点,目前多数伺服系统采用电机作为伺服系统的执行元件。
二、伺服系统的基本要求
1.对系统稳态性能的要求
伺服系统的稳态性能指标包括系统静态误差、速度误差、加速度误差。速度误差是指系统处于等速跟踪状态时,输出轴与其输入轴作相等的匀速运动时,同一时刻二者的转角差;加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时,在同一时刻两轴之间的最大差值。
2.对伺服系统动态性能的要求
伺服系统应渐近稳定并留有一定的稳定裕量。在典型信号输入下,系统的时域响应特性要满足规定要求。一般用最大超调量、过渡过程时间、振荡次数等特征量作为衡量指标;频域响应特性则用最大振荡指标、系统的频带宽度等特征量作评价指标。
3.对系统工作环境条件的要求
如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动等。
另外,还有对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。
三、伺服系统设计方法
1.对伺服系统进行总体设想
制定系统总体设计方案首先根据需要与可能,对伺服系统的总体有一个初步的设想。明确整个系统由哪几个部分组成,系统的控制方式是开环控制、闭环或复合控制,如果是闭环控制,还需选择检测元件;伺服系统的执行元件采用纯电气元件,还是采用电气一液压或电气一气动的组合,如果确定采用纯电气的方案,还需进一步确定采用步进电机;采用直流伺服电机或交流伺服电机;机械传动部分是直接传动,还是采用减速机构;减速机构用谐波齿轮还是同步带等等。在制定总体方案时,必须明确各部分的功能、性能指标以及实现部件。
2.系统的动力学参数设计
伺服系统总体方案确定后,必须进一步将系统各部分细化,通常先根据总体方案中对各部件的性能要求进行动力学设计。首先要根据被控对象的运动特点,选择系统的执行电机以及驱动电机的功率放大器、机械传动的形式和机构。根据系统工作精度的要求,确定检测装置具体的组成形式,选择元件的型号规格,设计具体的线路参数。在考虑各元、部件之间的接口时,要注意阻抗匹配、分辨率、供电方式和接地方式。为使有用信号不失真、不失精度地有效传递,要设计好耦合方式。
3.系统动态参数设计
系统的动态设计主要解决机电系统之间的接口以及确定电气参数。根据被控对象对系统动态性能的要求,建立动态数学模型。结合系统数学模型,进行动态设计,使校正后的系统能满足动态性能指标要求。
4.系统的仿真试验
系统的仿真试验根据校正后的系统数学模型进行仿真,检验各种工作状态下系统的性能,以便发现问题并及时调整。
(作者单位:河南省开封市技师学院)
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