控制系统设计.docx
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控制系统设计
控制系统设计
一、动作控制方式及特点
机电一体化产品的动作控制方式是指其执行机构从一点移动到另一点的过程中，对位置、速度或加速度等的控制方式。
（一）位置控制方式
位置控制方式按其控制指令来分，有绝对值控制方式和增量值控制方式。
绝对值控制方式是先确定基准坐标系，以此坐标系的坐标值为位置控制指令。
而增量值控制方式则以从当前位置向下一个位置移动所需的移动量为控制指令。
1、步进电动机定位这种定位方式的结构最简单。
它是以步进电机为执行单元，用对应于所需移动动量的脉冲数驱动步进电动机进行定位的，常用于定位精神要求不太高的地方。
由于步进电动机的启动脉冲频率有上限，超过此频率就会出现丢步现象、破坏脉冲与转角的比例关系，因此，在使用一定频率脉冲的情况下，难于提高动作速度。
在采用计算机控制的机电一体化产品中，使用计算机程序进行运算，可在不丢步的范围内缓慢加速，接近目标位置时缓慢减速，达到目标位置时停止，提高了使用步进电动机时的运转速度。
2、直流（或交流）伺服电动机定位（绝对值方式）对于高速度和高精度的定位，需采用反馈控制。
检测位置反馈信号的位置检测传感器，也有绝对值和增量值两种控制方式。
绝对值方式位置检测器多使用感应同步器、旋转变压器等，将检测的信号反馈给给指令输入端并与绝对值指令信号进行比较，通过控制使两者一致。
图1为其原理框图，它由计算机发出位置指令信号，通过D/A转换为模拟信号，并与检测出的位置反馈信号进行比较。
3、直流（或交流）伺服电动机定位（增量值方式）这是利用计算机的一种增量式脉冲控制直流（交流）伺服电动机的方式，其原理如图2所示。
在直流伺服电动机上装有脉冲发生器，由于电动机只能转动相应于脉冲数转角，因此，用直流伺服电动机的高速响应性实现了类似于步进电动机的功能。
这种方法是在要求高性能定位的机电一体化产品中常用的方法。
（二）速度控制方式
1、速度的模拟反馈控制速度的模拟控制原理如图3所示。
电动机为直流（或交流）伺服电动机，采用测速发电机产生的与电动机转速成比例的电压，作为速度反馈信号。
其工作原理是利用电压比较电路，以设定电压U1与测速发电机的输出电压U3之差△U的形式求出庙宇转速与实际转速之差。
如果实际转速比设定转速低，电压差就大，从而电枢电压U2增大，电动机转速也升高，于是电动机就以规定电压与测速发电机输出电压大致相同时的转速连续旋转。
2、速度的数字反馈控制速度的数字反馈控制如图4所示。
这种控制方式为锁相闭控制，可以实现高精度的速度控制，适合于音频设备的速度控制。
控制伺服放大器的输出与输入脉冲和速度反馈脉冲的相位差a成正比。
速度指令脉冲采用频率为f2脉冲系列，用相位比较器比较两个脉冲信号的相位差，通过控制使其相尊达到一致，从而达到控制速度之目的。
（三）伺服控制的分类
按动力源来分，目前使用的伺服控制机构有电气伺服和电一液（气）伺服等类型。
在电一液伺服控制机构中（见图5），目标值P1增加时，则它与位置反馈信号P0的偏差E为正，电一液伺服阀的滑阀离开中位右移，液压源的高压油流入油缸的左侧。
同时，油缸右侧的油经伺服阀返回油箱，油缸活塞杆向右移动，用位置传感器（如电位器）检测活塞杆的位置，传感器的输出为P0，当P0与目标值P1的偏差E为零时，伺服滑阀返回中位，活塞杆停止定位。
电气伺服机构也是以同样的方法进行位置控制的，如图6所示。
目标值P1增加，偏差信号E为正时，DC伺服电动机的伺服放大器产生驱动电流I，电动机转动，经减速器减速带动负载转动。
负载轴（或电动机轴）上装有角度传感器（如编码器），产生检测信号P0与目标值P1进行比较，负载轴（或电动机轴）一直回转到偏差值E为零时停止。
除上述根据动力源对伺服控制机构进行分类外，还可以根据位置，速度及控制信号的处理方法进行分类。
对电气伺服机构来说，可分为以下几种：
1、模拟伺服控制如图7所示，偏差的运算及电动机的位置、速度信号等全部使用模拟信号控制就是模拟伺服控制。
用模拟运算回路进行偏差的运算，用电位器进行位置检测，用测速发电机进行速度检测。
这种伺服方式是最早被采用的，也是最基本的伺服方式。
2、数字伺服控制如图8所示，DC伺服电动机的转角与速度全部用脉冲编码器检测，目标值与位置信号的偏差用计数器进行运算。
这种使用数字控制回路进行偏差运算及位置与速度检测运算的方式就是数字DC伺服控制。
控制位置时，首先由偏差计数器对指令脉冲计数，并通过D/A转换器将这个数字信号值变换成模拟信号输入到伺服放大器，伺服放大器的输出驱动DC伺服电动机转动。
通过脉冲编码器将电动机的回转锊变换成脉冲信号，反馈到偏差计数器，当反馈信号与指令信号的偏差为零时，电动机停止回转。
又能由于电动机的回转速度与脉冲编码器的频率成比例，所以用F/U（频率/电压）转换器将脉冲频率变换成直流电压就可以等到速度信号。
3、软件伺服控制如图9所示，位置与速度反馈环的运算处理全部由微型计算机实时地用软件进行处理的伺服控制可以称为软件伺服。
将脉冲编码器与测速发电机检测到的电动机转角与速度信号读入微型计算机，并用预先编好的计算机程序对上述信号（按着采样周期）进行实时运算处理，然后由计算机发出驱动电动机的信号。
从确保伺服系统的稳定性来看，也可以将速度信号的一部分直接反馈给伺服放大器。
这种方法不但硬件结构简单，而且可以用软件灵活地对伺服系统做各种补偿，这是它的最大特点。
但是，因为微型计算机的运算程序直接插入到伺服系统中，采样周期一长，对伺服系统的特性就有影响，不但使控制性能变差，还使伺服系统变得不稳定。
为此，就要求微型计算机对数据要具有高速运算和调整处理的能力。
二、伺服驱动控制技术
（一）步进电动机驱动电源
步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。
驱动电源由脉冲分配器和功率放大器组成，如图10所示。
驱动电源是将变频信号源（计算机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按照要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。
变频信号源是可以提供从几赫兹（HZ）到几万赫兹（HZ）的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。
因此，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确控制步进电动机的转角和速度。
1、脉冲分配器步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能工作。
这种使电动机绕组的通电方式按一定规律变化的电子部件称为脉冲分配器或环形分配器。
实现环形分配的方法有三种。
一种是采用计算机软件利用查表或计算方法进行脉冲分配的环行分配器，简称“软环分”。
表1为三相六拍分配状态，可将表中状态代码01H，03H，02H，06H，05H列入程序数据表中，通过软件可依次提取数据并经脉冲分配具有更多的优点。
由于“软环分”占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。
另一种是采用小规模集成电路（三个双稳态触发器）搭接成脉冲环形分配器，如图11所示为三相六拍环形分配器。
第三种是采用专用环形分配器集成电路器件，如CH250即为一种三相步进电动机环形分配器，它可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便，接口简单。
表1三相六拍分配状态
转向
1-2相通电
CP
C
B
A
代码
转向
正
↓
A
0
0
0
1
01H
反
↓
AB
1
0
1
1
03H
B
2
0
1
0
02H
BC
3
1
1
0
06H
C
4
1
0
0
04H
CA
5
1
0
1
05H
A
0
0
0
1
01H
2、功率放大器从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其到几电培至十几安培，从而驱动步进电动机运转。
由于电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。
绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势，为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当的续流回路。
步进电动机所使用的功率放大电路有电压型和电流型。
电压型又分为单电压型、又电压型（高低压型），电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。
单电压电路如图12所示，图中WA、WB、WB分别为步进电动机的三相绕组，每相绕组由一组放大器驱动。
放大器输入端与脉冲环型分配器相连。
没有脉冲输入时，功率放大器3DK4和3DK15均截止。
绕组中无电流通过，电动机不转；当A相通电，电动机转动一步。
脉冲依次加入A、B、C三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，使电动机一步一步地转动。
电路中与绕组并联的二极管D起续流作用，即在功放管截止时，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。
与绕组串联的电阻R为限流电阻，限制通过绕组的电流不致超过其额定值，以免电动机过度发热甚至被烧坏。
R的阻值一般在5～20Ω范围内选取。
该电路结构简单，但电阻R串在大电流回路中，要消耗能量，使放大功率降低，同时由于绕组电感L较大，电路对脉冲电流的反应较慢，因此，输出脉冲波形差、输出功率低。
这种放大器主要用于对速度要求不高的小型步进电动机。
目前实际采用的电路大多选用改进型电路，如高低双电源供电，恒流供电和斩波供方式，在应用过程中可参考相关资料。
3、细分驱动上述提到的步进电动机的各种功率放大电路都是按照环形分配器决定的分配方式，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运行，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。
步距角由步进电动机结构确定。
如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是分级地改变相应绕组中的电流大小，则电动机转子的每步运行也只有步距角的一部分。
这里绕阴电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，若电流分成n个台阶，则转子步距角普为正常值的1/n。
这种将一个步距解细分成若干步的驱动方法称为细分驱动。
细分驱动的特点是：
（1）在不改动电动机参数的情况下，能使步距角减小。
但细分后的步距角精度不高，功率放大电路也变得复杂；
（2）能使步进电动机运行平衡，提高匀速性，并能减弱或消除振荡。
要实现细分，需要将绕组中的矩形电流波改成阶梯形电流波，即设法使绕组中的电流以若干个等幅等宽度阶梯上升到额定值，并以同样阶梯从额定值下降到零。
图13（a）为四阶梯细分电路原理，它利用4只功率晶体管作为开关元件，其基极开关电压U1～U4的波形如图13（b）所示。
在绕组电流上升过程中，4只功率晶体管按顺序导通。
每导通一个，绕组中电流便上升一个台阶。
步进电动机也跟着转动一小步。
接高压UDD的晶体管，其作用是加快各晶体管导通初期绕组电流上升速度。
在绕组电流下降过程中，4只功率晶体管按顺关断。
为使每关断一个晶体管，电流都能快速下降一个台阶，在关断任一个低压管前，可先将剩下的全部关断一段时间，使绕组通过泄放回路放电，然后再重新开通。
（二）微处理器的问世，给步进电动机控制器设计开辟了新的途径，各种单片微型计算机的迅速发展和普及，为设计功能很强而价格低廉的步进电动机控制器提供了条件。
使用微型计算机对步进电动进行控制有串行和并行两种方式。
1、串行控制具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较小的连线。
在种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。
控制方式如图14所示。
2、并行控制使用微机系统的数个端口直接控制步进电动各相的导通与截止，导通与截止的顺序通过软件来实现，因此可不用硬件环形分配器，步进电动机的转动方向由软件逻辑决定。
这种控制方式（见图15），简化了硬件结构，充分利用了计算机资源，但占用了计算机的运行时间。
（三）步进电动机速度控制
对于点位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。
如果要求
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