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基于PID控制的交流伺服系统 (2)

基于PID控制的交流伺服系统 (2)
基于PID控制的交流伺服系统 (2)

外文文献原文

Motion Controller and the Application of PMAC in AC

Servo CNC System

Xi CHEN1 Yanbo CHE 1 K.W.E CHENG2

1 School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, Tianjin

China.

E-mail: ybche@https://www.doczj.com/doc/7313614382.html,

2 Department of Electrical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University,

Hong Kong,

E-mail: eeecheng@https://www.doczj.com/doc/7313614382.html,.hk

Abstract –The concept and sorts of motion controller were introduced in this paper, the features of PMAC motion controller was explained, and the make-up of the numerical control system based on MINI-PMAC, PC and AC Servo Driver was discussed in detail including hardware structure and software designing. Then a development example of experiment was shown. Servo compute and control in the CNC system are both performed by PMAC,while PC and other general interfaces act as terminals, this structure offers more flexibility and can be used in a wide range of applications.

I. INTRODUCTION

A typical motion control system mainly consists of superior computer, motion controller, power driving device, motor, feedback detecting sensor and controlled object, as shown in Fig. 1.Motion controller is the centre of the control system and it takes the central logic control unit as the core, takes the sensor as the component sensitive to feedback signal and takes the motor as the controlled object. The main task of the motion controller is to perform necessary logic and mathematical operations according to signals from the sensor and the requirements of control task, then provide appropriate control signals for driving device.

II. CLASSIFICATION OF MOTION CONTROLLER

Motion controllers can be classifed in different ways.According to the structure, motion controllers can be divided into three forms:

A. Computer standard bus based Motion controller

This kind of motion controller has open architecture and is independent from computer.It could combine with computer by many different bus such as ISA interface, PCI interface, VME interface, RS232 interface and USB interface. Most of these motion

controllers use DSP or microprocessor chip as CPU and could perform functions including motion planning, high-speed and real-time interpolation, servo filter control, servo drive and standardized general interface to external I/O. They also provides powerful motion control software libraries such as C language motion function library, Windows DLL dynamic-link library and etc.So users could develop their own application softwares on DOS or Windows and create various control systems according to their own requirements. Programmable Multiple Axes Controller PMAC produced by American Deltatau company is a representative of this kind of motion. Similar products include TRIO from British Allworld company, GT series from Googol Technology

( Shenzhen ) Ltd. and NI series from American NI company.

The motion controller and PC make up a master-slave control structure: PC is responsible for managing human-computer interface and monitoring the operating state of the control system in real time, and the motion controller completes all the details of the motion control task such as producing pulse and direction signals, calculating the trace, detecting home and limit signals. The advantage of such a structure is combining PC’s ability to process information and motion controller’s ability to control motion trace. CNC systems with open architecture based on motion controller are widely used in equipment automation in manufacturing industry. This paper introduces the performance characteristics of PMAC and designs a PMAC-based CNC system then gives a development example.

B. Software based open motion controller

Software based open motion controller provides users with a great deal of flexibility.The motion control softwares are all installed in the computer, and the hardware only provides standardized general interfaces to computer,to servo drivers and external I/O,as computer could be installed with various sound cards, CDROM and corresponding drivers. With the support of Windows and other operating systems, users can obtain desired control functions and develop various high-performance motion control system.So this motion controller provides more choice and flexibility for the users.

C. Embedded motion controller

This is a motion controller in which a computer embedded and it could operate independently. This motion controller also communicate with computer through computer bus. It is a variation of the bus based motion controller in essence.In the application it connects to a superior computer or a control panel through field communication interface such

as Industrial Ethernet, RS485, SERCOS and Profibus. In addition,embedded motion controller can be provided with floppy and hard disk drivers,even get remote diagnosis through the Internet, such as Smart-Controller from American ADEPT company, GU embedded motion control platform series products from Googol Technology( Shenzhen ) Ltd..

III. HARDWARE STRUCTURE OF CNC SYSTEM

The CNC system consists of superior computer,Programmable Multiple Axes Controller MINI-PMAC,adapter plate, servo drivers and AC servo motorlt in hardware. It could perform various motion control functions by using superior and inferior softwares. Fig. 2 shows the structure of the system. MINI-PMAC, adapter plate and drivers are all assembled in a cabinet, so the system could work offline.

A. PMAC

PMAC from Deltatau company is a multi-axes,multi-channel, open motion controller. It is based on industrial computer and could control up to 8 axes simultaneously. It uses high-performance digital signal processor DSP5600X produced by Motorola as the CPU and could combine with various computers, amplifiers,motors and sensors to perform different functions.

PMAC is a complete computer in its own competence. It could process stored program independently of the operating system and could define task priority, working like a realtime multitasking computer.Even if PMAC is controlled by a host computer, their communication is between two computers, rather than communication between a computer and peripheral. From the processing time and the complexity of the task switching, PMAC’s ability to process multiple tasks simultaneity (according to the priority) reduces the burden of the computer.

There are two PMAC familis : PMAC1 and PMAC2. Each can be divided into four hardware forms PMAC-PC,PMAC-STD, PMAC-LITE, PMAC-VME according to communication bus. MINI-PMAC used here is PMAC-PC form of PMAC1 which can control two axes simultaneously. It has ISA bus or RS-232/422 communication port for bus communication or serial communication. MINI-PMAC mainly contains the following interfaces:

? Jl (JDISP): display interface, l4 pins, used to connect a simple LCD screen to display the location and speed of shafts.

? J3 (JTHW): multi-way DIP switch, 26 pins, to provide 8-in and 8-out general I/O in TTL level, used to expand input and output points or used as general I/O directly.

? J4 (JRS232): serial communication port, l0 pins, to provide serial communication interface RS232 to the host coputer.

? J5 (JOPTO): general digital input and output port, 34 pins, to provide 8-in and

8-out general I/O in TTL level.

? J7 (JS1): l6 pins, to provide interface to A/D conversion attachment ACC-28.

? J8 (JAUX): auxiliary interface, l6 pins, to receive 0-10V analog input, pulse direction output, location comparing signal and so on.

? Jl1 (JMACH): main working interface, 60 pins,including the control signal output, servo enable signal output, home limit and servo alarm signals input, encoder feedback signal input and power interface.

? TB1: interface to external power,to supply power for motion controller when MINI-PMAC is used alone

B. Servo system

J11 interface of PMAC connects to servo drivers through adapter plate. Driver

MS-DA023A1A applies to MSM small inertia motor and uses 200V three-phase AC voltage.The speed analog output of PMAC connects with AC servo drivers who drive AC servo motors. Encoder was installed on the motor to detect the feedback.

The performance of servo system could be regulated by adjusting PID adjuster on the PMAC,the speed feedforward, the acceleration feedforward. If the the proportional coefficient is greater, the rigidity of the system will be better.However there will be greater error caused by over reaction if the proportional coefficient is too great,even wores the motor may run in open loop.Adjusting integral coefficient can eliminate the steady-state error in the system. Adjusting differential coefficient provides the damping that system needs to maintain the stability. The role of adjusting the speed feedforward is to reduce the following error caused by damping which is proportional to the speed.

The role of adjusting the acceleration feedforward is to reduce or eliminate the following error caused by the system inertia which is proportional to the acceleration.

When regulating perf ormance of the servo system,adjust the AC servo drivers’ parameters first. After the motion of the AC servo motor meets some requirements, adjust PID parameters on PMAC to achieve the best performance.

The schematic diagram of the entire system is shown in Fig. 3. As shown, J4 is communication interface to computer, J5 is general digital port for 8 switched inputs and 8 TTL level outputs, namely, panel switch inputs and diode outputs, and Jl1 includes four parts: (1) control of AC servo driver X, (2) control of AC servo driver Y, (3) hand wheel input, and (4) limit and home input. DAC1 provides speed analog signal for drivers and CHA1——CHC1 receive the feedback of encoder on servo motor.

IV. WARE DESIGN AND RELIZTION

A. Introduction of PEWIN

PEWIN is the development tool produced by Deltatau to establish and manage application system for PMAC.It provides a friendly PMAC-oriented serial port terminal interface and a text editor uesd for writing motion program and PLC program. In addition, PEWIN provides a series of interfaces for PMAC configuration and monitor,including motor driving interface, variable setting interface, coordinates setting interface, windows for observation of PMAC variables and state registers, etc.

PEWIN takes full advantage of the Windows operating environment:

? Text editor's function: cut, copy and paste;

? A good graphical interface to communicate with and operate PMAC;

? Dealing with thousands of I, P, Q and M variables of PMAC flexibly;

? A window to display motor state,coordinates and the overall state in real time;

? A window to display the location, speed and fault of all the motors in the system;

? A variety of ways to adjust the PMAC system;

? A interface for data collection and mapping;

? Deagnostic program to identify and remove faults of motors and drivers;

? Displaying the real time status of PMAC interfaces;

? Coping Variables between different motors;

B. Initialization of the system

Fig. 4 shows software structure of the CNC system. Start up the PEWIN program first, power on the whole CNC system, establish the communication with PC, enter the main menu interface, and then complete pointing control and other operation.After entering the menu and command window, users can query the information and set parameters according to their own needs to initialize the PMAC.

VI. CONCLUSION

This paper designs a PMAC-based open CNC system. The system has advantage of short development cycle, low cost,more interpolation axes and high control accuracy.PMAC is the core of the CNC system and completes all the servo computation and control. PC and other general interfaces are terminals of the entire system. This open architecture offers more flexibility and can be used in a wide range of applications.

译文

运动控制器PMAC在交流伺服数控系统中的应用

徐旭1,车延博1,K.W.E CHENG2

1天津大学,电气与自动化工程学院,E-mail: ybche@https://www.doczj.com/doc/7313614382.html,

2香港理工大学,电气工程学院,E-mail: eeecheng@https://www.doczj.com/doc/7313614382.html,.hk

摘要:本文对运动控制器的概念和类型的进行了综述,阐述了PMAC运动控制器的特点和基于MINI-PMAC数控系统的组成。讨论了PC和交流伺服驱动程序,包括硬件结构和软件设计。数控系统中的伺服计算和控制都是由PMAC完成,PC机和其他通用接口作为终端,这种结构提供了更多的灵活性,可以被用在广泛的应用范围。

1 简介

一个典型的运动控制系统主要由上位机、运动控制器,电力传动装置、电机、反馈检测传感器和控制对象,见图1.运动控制器是控制系统的核心,它采用的是以中央逻辑控制单元为核心,用组件敏感传感器反馈信号,以电机为控制对象。运动控制器的主要作用是执行必要的逻辑和数学运算,根据传感器的信号和需要控制的任务,提供适当的控制信号驱动装置。

2 运动控制器的分类

运动控制器的分类有很多,根据运动控制器的结构可以分为三种形式:

2.1 以计算机标准总线为基础的运动控制器

这种运动控制器的开放式体系结构独立于电脑,它可以通过很多不同的总线与计算机连接,如ISA接口、PCI接口、VME接口、RS232接口和USB接口。大多数的运动控制器使用DSP芯片作为CPU或微处理器,可执行的功能包括运动规划、

高速实时插补、伺服过滤器控制、伺服驱动和标准化的通用接口、外部I/O。它们还提供强大的运动控制软件库,比如C语言运动函数库、WINDOWS DLL动态连接库,因此用户可以通过DOS或WINDOWS开发自己的应用软件和根据自己的需要创建各种运动控制系统。由美国Deltatau公司生产的可编程控制器PMAC是这种运动里一个具有代表性的产品。类似的产品包括英国Allword公司的TRIO,Googol 科技(深圳)有限公司的GT系列,和美国NI公司的NI系列等等。

运动控制器和PC机构成一种主从控制结构:PC负责管理人机界面和监控运动状态实时控制系统,和运动控制器所应完成的运动控制任务,例如产生脉冲信号、计算跟踪、限制信号和检测信号是否回归。这种结构的优点是结合了电脑处理信息的能力和运动控制器来控制移动跟踪的能力。数控系统采用开放式架构基于运动控制器广泛应用于自动化生产行业。本文介绍了PMAC的性能特点,设计了一个以PMAC为基础的数控系统,并给出开发实例。

2.2 基于软件开放式运动控制器

基于软件开放式运动控制器为用户提供了很大的灵活性。运动控制软件都安装在电脑里,硬件只需提供标准化的通用接口、计算机、伺服驱动和外部I/O,电脑可以安装各种音效卡,CDROM和相应的驱动程序。在WINDOWS和其他操作系统的支持下,用户可以获得所需的控制功能和发展各种高性能运动控制系统。所以这个运动控制器为的用户提供了更多的选择和灵活性。

2.3 嵌入式运动控制器

这是一种由电脑嵌入并可以独立运行的运动控制器。这种运动控制器也是通过计算机总线实现与计算机的交流。它在本质上是以变化的总线为基础的运动控制器。在应用程序连接到上位机或控制面板通过通信接口,如工业以太网,RS485总线, SERCOS总线和现场总线。此外,嵌入式运动控制器可以提供与软盘和硬盘驱动,甚至通过互联网获得远程诊断,如从美国公司Smart-Controller内行,顾长卫嵌入式运动控制平台系列产品从Googol科技(深圳)有限公司等等。

3 数控系统的硬件结构

数控系统在硬件包括上位机、可编程控制器多个轴MINI-PMAC、适配器板、伺服驱动和交流伺服motorlt。它可以通过软件的优劣势执行各种运动控制功能。图2显示了该系统的结构。MINI-PMAC,适配器板和驱动都组装好了,所以这个系统可以离线工作。

3.1 PMAC

Deltatau PMAC公司的PMAC是一个多轴多通道的、开放式的运动控制器。它基于工控机可以同时控制到8轴。它用摩托罗拉生产的高性能数字信号处理器DSP5600X作为 CPU并结合各种计算机、放大器、汽车和传感器来执行不同的功能。PMAC在自身能力里已经是一个完整的计算机。它可以处理已存储程序独立于操作系统,可以定义任务优先级,像一个实时多任务的计算机一样工作。即使PMAC 受控于一个主机,他们的交流是两台计算机之间,而不是计算机及其外围之间的通信。从处理时间和任务切换的复杂性,PMAC有能力同时处理多个任务(根据优先级)减少了计算机的负担。

有两个PMAC家族:PMAC1和PMAC2。根据通信总线每个又可分为四个硬件PMAC-PC,PMAC-STD,PMAC-LITE,PMAC-VME。这里采用的MINI-PMAC 是以能同时控制两个轴的PMAC1构成的PMAC-PC。它用ISA总线或RS-232/422通信端口总线通信或串行通信。

MINI-PMAC主要包含以下接口:

?J1(JDISP):显示界面,l4管脚,用来连接一个简单的液晶屏显示和速度轴。

? J3(JTHW):多向DIP开关,26个管脚,以用TTL构成的通用I / O来提供

8个输入和8输,用于扩大输入和输出点或直接用作通用I / O。

? J4(JRS232):串行通信端口,10管脚,向主机提供串行通信接口RS232。

?J5(JOPTO):普通数码输入和输出端口,34个管脚,以用TTL构成的通用I / O来提供8个输入和8输。

? J7(JS1):16个管脚,以提供连接ACC-28和A / D转换器的接口。

?J8 (JAUX):辅助接口,16个管脚,接收0-10V模拟输入、脉冲方向输出、位置比较信号等。

? Jl1 (JMACH):主要的工作界面,60个管脚,包括控制信号输出,伺服使能信号输出,自身限制和伺服报警信号输入,编码器反馈信号输入和电源接口。

? TB1:接口,外部电源,为运动控制器MINI-PMAC单独使用时提供电力

3.2 伺服系统

PMAC上的J11接口通过适配器板连接到伺服驱动器。驱动器MS-DA023A1A适用于MSM小型惯性电机并使用200伏三相交流电压。PMAC模拟输出的速度连接交流伺服驱动。编码器安装在电机上用于检测反馈。

伺服系统的性能可以通过调节PMAC上的PID调节器、速度前馈控制、前馈的

加速度。如果增大比例系数,则系统的硬度更硬。然而,过度的反应将引发更大的错误,如果比例系数更大,马达甚至可能运行在开环。调整积分系数可以消除系统的稳态误差。系统需要保持稳定时调整微分提供阻尼。调整速度前馈是为了减少由与速度成正比的阻尼引起的以下错误。调节前馈加速的作用是减少或消除由与加速度成正比的系统惯性造成的误差。

当调节伺服系统的性能时,首先要调节交流伺服驱动的参数。调整后的交流伺服电机满足了一定要求,调整PMAC上的PID参数来实现系统的最佳性能。

整个系统的原理图如图3所示,J4是计算机的通行接口,J5是普通数码端口用于8个转换输入和8个TTL输出,也就是说,是面板开关和二极管的输入输出;J1包括四部分:(1)对交流伺服驱动X的控制,(2)对交流伺服驱动器Y的控制,(3)手写输入,和(4)限制和自身的输出。DAC1为驱动提供速度模拟信号,而CHA1~CHC1接收伺服电机的编码器反馈。

4 产品设计和实现

4.1 PEWIN的简介

PEWIN是由Deltatau产生的开发工具来建立和管理PMAC的应用系统。它提供了一个友好的PMAC-oriented串口终端接口和一个文本编辑器来编写运动程序和PLC程序。此外,它还提供了一系列PEWIN接口用于PMAC的配置和监视,包括电机驱动接口,变量设置界面,坐标设置界面,观察PMAC的变量和状态寄存器的窗口,等等。

PEWIN充分利用Windows操作环境:

?文本编辑器的功能:剪切、复制和粘贴功能;

?一个好的通信和运营PMAC的图形界面;

?灵活处理PMAC里数量众多的I,P,Q,M变量;

?一个用来显示运动状态,坐标和实时整体状态的窗口;

?一个用来显示位置、速度和系统中所有电机故障的窗口;

?灵活多变的方式来调整PMAC系统;

?一个用于数据收集和映射的接口

?诊断程序来识别和移除电机、驱动的故障;

?显示实时状态的PMAC接口;

?对应不同变量与不同的电机;

4.2 系统的初始化

图4显示了数控系统的软件结构。首先启动PEWIN程序,整个数控系统上电,建立于PC机间的通信,进入主菜单界面,然后完成指向控制和其他操作。进入菜单和命令窗口,用户可以根据自己的需要查询和设置参数信息初始化PMAC。

5 总结

文中设计了一种基于PMAC的开放式数控系统。该系统的优势在于开发周期短、成本低、更多的插值轴和控制精度高。PMAC是数控系统和完成所有伺服计算和控制的核心。PC机和其他通用接口是整个系统的终端。这种开放体系结构提供了更多的灵活性,可以被广泛的应用。

伺服电机的三种控制方式

选购要点:伺服电机的三种控制方式 伺服电机速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的,位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求以及满足何种运动功能来选择。接下来,松文机电为大家带来伺服电机的三种控制方式。 如果您对电机的速度、位置都没有要求,只要输出一个恒转矩,当然是用转矩模式。 如果对位置和速度有一定的精度要求,而对实时转矩不是很关心,用转矩模式不太方便,用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能,用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高,或者,基本没有实时性的要求,用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。 就伺服驱动器的响应速度来看,转矩模式运算量最小,驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大,驱动器对控制信号的响应最慢。 对运动中的动态性能有比较高的要求时,需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC,或低端运动控制器),就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快,可以用速度方式,把位置环从驱动器移到控制器上,减少驱动器的工作量,提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器,还可以用转矩方式控制,把速度环也从驱动器上移开,这一般只是高端专用控制器才能这么干,而且,这时完全不需要使用伺服电机。 一般说驱动器控制的好不好,每个厂家的都说自己做的最好,但是现在有个比较直观的比较方式,叫响应带宽。当转矩控制或者速度控制时,通过脉冲发生器给他一个方波信号,使电机不断的正转、反转,不断的调高频率,示波器上显示的是个扫频信号,当包络线的顶点到达最高值的70.7%时,表示已经失步,此时的频率的高低,就能显示出谁的产品牛了,一般的电流环能作到1000Hz以上,而速度环只能作到几十赫兹。 换一种比较专业的说法: 1、转矩控制:转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小,具体表现为例如10V对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转,外部负载等于2.5Nm时电机不转,大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中,例如饶线装置或拉光纤设备,转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制:位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度,也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置。

交流伺服控制系统的三种控制方式

交流伺服控制系统的三种控制方式 交流伺服控制器主要由速度控制器、电流控制器和PWM生成电路组成。控制方式上交流伺服控制用脉冲串和方向信号实现。交流伺服控制系统有三种控制方式:速度控制、转矩控制和位置控制。 1.速度控制 速度控制方式主要以模拟量来控制。如果对位置和速度有一定的精度要求,用速度或位置模式较好;如果上位控制器有比较好的闭环控制功能,则可选用速度控制。根据电动机的类型,调速控制系统也分不同类型,如异步电动机的变频调速和同步电动机的变频调速’异步电动机的变频调速分为笼型异步电动机的变频调速和PWM型变频调速。下面以PWM型变频调速为例来详细说明交流伺服控制原理。 图4-27给出了PWM调速系统示意图,主电路由不可控整流器UR、平波电容器C 和逆变器UI构成。逆变器输入为固定不变的直流电压%’通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和频率来实现调压和调频’同时减小三相电流波形畸变的输出。这种形式主电路特点如下。 ①由于主要电路只有一个功率控制级UI,因而结构简单。 ②由于使用了不可控整流桥,因而电网功率因数跟逆变器的输出大小无关。 ③逆变器在调频时实现调压,与中间直流环节的元件参数无关,从而加快了系统的动态响应。实际的变频调速系统一般都需要加上完善的保护以确保系统安全运行。 2.位置控制

在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位,但必须把电动机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号,电动机轴端的编码器只检测电动机转速。由于位置模式对速度和位置都有很严格的控制,因而其主要应用于定位装置,如数控机床、印刷机械等。 3.转矩控制 转矩控制方式实际上就是通过外部模拟量的输入或直接的地址賦值来设定电动机轴输出转矩。例如10V对应5N ? m的话,当外部模拟量设定为5V时,电动机轴输出为2.5N ? m.如果电动机轴负载低于2.5N.m时电动机正转,外部负载等于2.5N ? m时电动机不转,大于2.5N*m时电动机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时改变模拟量的设定来改变设定力矩大小,也可通过通信方式改变对应的地址的数值来实现。转矩控制主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中,例如绕线装置或拉光纤设备。

二自由度简易云台增稳控制系统设计

二自由度简易云台增稳控制系统设计 项目简介:本课题要求学生在查阅相关资料的基础上,利用单片机、IMU姿态测量元件、舵机等设备搭建二自由度增稳控制平台,设计姿态数据的读取程序,设计舵机的控制程序,设计增稳平台的机械结构,对所设计的程序进行调试,实现云台的增稳控制。 项目方案: 本课题分以下步骤展开研究: 2014年4月~ 2014年10月 收集有单片机接口程序设计方面的资料,学习相关理论知识; 2014年11月~2014年12月 学习MWC飞行控制板的程序设计技术; 2015年1月~2015年4月 设计板载姿态传感器数据读取; 2015年5月~ 2015年8月 设计舵机控制程序和平台机械结构,测试平台增稳性能; 2015年9月~2015年10月 撰写研究报告、结题,项目鉴定。 本项目主要使用MWC飞行控制板和舵机实现二自由度平台的增稳控制 预期成果: 本项目要求完成如下成果: 设计并实现二自由度增稳平台的软、硬件系统,搭建增稳平台的机械结构,完成系统的负载测试。完成研究报告一份。 二自由度云台概述: 云台是一种安装、固定摄像装置的支撑设备,用于摄像装置与支撑物的联结。其英文名称为Pan-Tilt(简称PT),即可以在水平方向和俯仰方向旋转的机械装置。主要用于安装监控、动态摄像等需要进行运动图像(视频)捕捉的场合或环境,使采集方式更直接方便;在需要摇摆和摆动的机构中,如机械臂等,也利用云台来实现可接触范围的延伸和扩展。 根据云台的回转特点可以分为只能左右旋转的水平旋转平台和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台,即二自由度(2-Degree of Freedom)云台,简称2-DOF云台。 增稳的意义: 比如飞行器在飞行过程中,由于自身的抖动以及外界因素对它的影响,它的姿态不断变化,装在上面的图像采集装置一起变化,导致图像的不稳定。如果采用反馈控制原理,先测量姿态变化,再传输到控制装置(舵机),达到稳像的目的。将一个二自由度的稳像平台与遥控直升机恰当地结合在一起,实现了在飞行过程中跟踪目标稳定图像,保持图像质量的功能。

液压伺服系统工作原理

液压伺服系统工作原理 1.1 液压伺服系统工作原理 液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统通过使用电液伺服阀,将小功率的电信号转换为大功率的液压动力,从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。 液压伺服系统是使系统的输出量,如位移、速度或力等,能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化,与此同时,输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统的工作原理可由图1来说明。 图1所示为一个对管道流量进行连续控制的电液伺服系统。在大口径流体管道1中,阀板2的转角θ变化会产生节流作用而起到调节流量qT的作用。阀板转动由液压缸带动齿轮、齿条来实现。这个系统的输入量是电位器5的给定值x i。对应给定值x i,有一定的电压输给放大器7,放大器将电压信号转换为电流信号加到伺服阀的电磁线圈上,使阀芯相应地产生一定的开口量x v。阀开口x v使液压油进入液压缸上腔,推动液压缸向下移动。液压缸下腔的油液则经伺服阀流回油箱。液压缸的向下移动,使齿轮、齿条带动阀板产生偏转。同时,液压缸活塞杆也带动电位器6的触点下移x p。当x p所对应的电压与x i所对应的电压相等时,两电压之差为零。这时,放大器的输出电流亦为零,伺服阀关闭,液压缸带动的阀板停在相应的qT位置。 图1 管道流量(或静压力)的电液伺服系统 1—流体管道;2—阀板;3—齿轮、齿条;4—液压缸;5—给定电位器;6—流量传感电位器;7—放大器;8—电液伺服 阀 在控制系统中,将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端,并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用,这种控制形式称之为反馈控制。反馈信号与给定信号符号相反,即总是形成差值,这种反馈称之为负反馈。用负反馈产生的偏差信号进行调节,是反馈控制的基本特征。而对图1所示的实例中,电位器6就是反馈装置,偏差信号就是给定信号电压与反馈信号电压在放大器输入端产生的△u。 图2 给出对应图1实例的方框图。控制系统常用方框图表示系统各元件之间的联系。上图方框中用文字表示了各元件,后面将介绍方框图采用数学公式的表达形式。 液压伺服系统的组成 液压伺服系统的组成 由上面举例可见,液压伺服系统是由以下一些基本元件组成;

双自由度控制器

第一章绪论 在工程和科学技术发展过程中,自动控制担负着重要的角色。除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中,自动控制具有特别重要的作用之外,它已成为现代机器制造业和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部分。例如,在制造工业的数控机床控制中,在航空和航天工业的自动驾驶仪系统设计中,以及在汽车工业的小汽车和大卡车设计中,自动控制都是必不可少的。此外,在工业中的过程控制,对压力、温度、湿度、黏性和流量的控制等工业操作过程,自动控制也是不可缺少的。 自动控制理论和实践的不断发展,为人们提供了获得动态系统最佳性能的方法,提高了生产率,并且使人们从繁重的体力劳动和大量重复性的手工操作中解放出来。 1.2控制系统的分类 1.2.1 反馈控制系统 能对输出量与参考输入量进行比较,并且将它们的偏差作为控制手段,以 保持两者之间预定关系的系统,称为反馈控制系统。室温控制系统就是反馈系统的例子。通过实际室温,并且将其与参考温度(希望的室温)进行比较,温室调机器就会按照某种方式,加温或冷却设备打开或关闭,从而将室温保持在使人们感到舒适的水平上,且与外界条件无关。反馈系统并不限于工程系统,在各种不同的非工程领域,同样存在着反馈控制系统。 1.2.2 闭环控制系统 反馈控制系统通常属于闭环控制系统。在实践中,反馈控制和闭环控制这两个术语通常交换使用。在闭环控制系统中,作为输入信号与反馈信号(反馈信号可以是输出信号本身,也可以是输出信号的函数及其导数和/或其积分)之差的作用误差信号被传送到控制器,以便减小误差,并且使系统的输出达到希望的值。闭环控制这个术语,总是意味着采用反馈控制作用,以减小系统误差。

伺服控制系统

第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中,输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化,因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来,随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高,伺服技术已迎来了新的发展机遇,伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前,伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用,而且在许多高科技领域,如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作,即控制信号到来之前,被控对象时静止不动的;接收到控制信号后,被控对象则按要求动作;控制信号消失之后,被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求,对信号进行变换、调控和功率放大等处理,使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。 1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。

1.1.3伺服系统性能的基本要求 1)精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2)稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下,能在短暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3)快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标,它反映了系统的跟踪精度。 4)调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5)低速大转矩。在伺服控制系统中,通常要求在低速时为恒转矩控制,电机能够提供较大的输出转矩;在高速时为恒功率控制,具有足够大的输出功率。 6)能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种;按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统,模拟伺服和功率伺服系统,位置伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。 电器伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。交流伺服系统又有感应电机伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。 1.2 伺服系统的发展过程 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程,电器伺服系统的发展则与伺服电机的不同发展阶段具有紧密的联系,伺服电机至今已有50多年的发展历史,经历了三个主要发展阶段。 第一发展阶段(20世纪60年代以前):此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代,伺服系统的位置控制多为

伺服控制系统

伺服系统:是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。伺服电机工作原理: 伺服电机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机是一个典型闭环反馈系统,减速齿轮组由电机驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,并驱动电机正向或反向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,令纠正脉冲趋于为0,从而达到使伺服电机精确定位的目的。 伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式:一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量,转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动。当有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速随控制电压的大小而变化,当控制电压的相位相反时,伺服电动机将反转。 伺服使能,是伺服系统的输入信号,上位机输出信号给伺服系统使伺服系统处于使能状态,该信号有效时,驱动器控制电机绕组通电,允许接收其他控制指令;否则电机绕组断电,电机处于自由状态,为止偏差清零,不接收其他指令。 伺服准备好,是伺服系统的输出信号,当驱动器上电完成初始化,可以正常运行时,会输出该信号给上位机。

云台两自由度控制

云台两自由度控制 作者:04——715班王天指导老师:李 云台是搭载激光测距仪座,摄像头座,机械手座之物,为这些仪器部件提供更大的适用范围。 此品主要采用蜗轮蜗杆的结构来作为传动机构。 其优点是可以得到很大的传动比,比交错轴斜齿轮机构紧凑,因为线接触,故承载能力比交错轴斜齿轮大得多,另外传动平稳无噪音,这样仿生蛇可以执行更隐蔽的任务。还有蜗杆的到程角r小于轮齿间的当量摩擦角时,机构具有自锁性,即只能由蜗杆带动蜗轮,而不能有蜗轮带动蜗杆,这样便于抬板稳定在某一位置工作。而蜗轮蜗杆将纵向转动变为侧向转动方可以使我们的布局更合理。 当然蜗轮蜗杆机构也具有一定的缺点,(1)齿合时相对滑动速度v较大,以磨损,以发热股效率低,而对于具有自锁性的蜗杆传动其效率更低。(2)为了散热和减小摩擦,常需贵重的抗磨材料和良好的润滑装置,故成本较高(3)蜗杆的轴向力较大。看起来去点多多,但在我们的设备本身的运作状况下这些也便不再是缺点了。首相我们的设备转速要求不大,阻力也不大,并不要求时刻保持运作,因此以磨损,易发热,效率较低情况便可忽略。也因如此便不用采用贵重的材料了,所以成本的问题也便不再成为问题。因为阻力不大,轴向力大的问题也便不是问题了。 我们用的电机是瑞士产的ZGR17AL支流减速电机。每分钟转速15转。正好可以迎合我们的设备不需要告诉运作的要求,而起匀速,慢速转动的特性,可以很好的进行控制,在开环控制的情况下获得较大的精度。 控制用数字化控制,利用双极坐标控制,(X,Y).X为底盘转角。Y为台办的转角。X介于0度到360度之间,Y介于0度到90度之间。我们并没有安装测算转过角度的设备,我们通过测算电机转动时间来推算转过的角度,此过程在我们要求转动精度不高的情况下是一种很实用经济有效的手法。我们的转盘上安装一个触碰开关,这样在每次反应前,反转,当碰及触碰开关时停止,以此作为基准。这个既为校准的过程,此位置作为0度。在开始转动命令要求的角度。如此,可以是误差不累加化,提高了工作精度! 我们的电子系统主要是利用plcc封装的51单片机来进行控制,其优点在于功能全面执行能力强,开发工具完善,衍生产品丰富,大量的设计资源可以继承和共享。此单片机成本较低,可以反复擦写1000次左右,可以在没有仿真器的情况下进行反复测试。有效的降低了成本,而plcc封装是正方形而且体积小重量轻,安装于抬板上,云台上,其重心较为稳定,可避免在蛇身高速运动,灵活转向时出现不必要的问题。而运抬要升高到很高高度时,其承载能力较差,所以减轻重量是必要之举。而且使用此单片机可是总体电路紧凑,简明,便于制作和日后维修。 工作原理简述:从并口输入坐标值(X,Y).经过程序中的一套算法,其中包括蜗轮蜗杆的传动比,电机转速,时钟,底座(齿轮)半径,始终,最后转化为电机开启时间,使设备转到预定位置。

伺服系统介绍.doc

一、相关概念 伺服系统(servomechanism)又称随动系统,是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。 在机器人中,伺服驱动器控制电机的运转。驱动器采用速度环,位置环,电流环三环闭环电路,内部还设有错误检出和保护电路。驱动器通过通信连接器,控制连接器,编码连接器跟外部输入信号和输出信号相连。通信连接器主要用于跟电脑或控制器通信。控制连接器用于跟伺服控制器联接,驱动器所需的输入信号、输出信号、控制信号和一些方式选择信号都通过该控制连接器传输,它是驱动器最为关键的连接器。编码连接器跟电机编码器连接,用于接收编码器闭环反馈信号,即速度反馈和换向信号。 伺服电机主要用于驱动机器人的关节。关节越多,机器人的柔性和精准度越高,所需要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服电机的要求非常高,必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽,要适应机器人的形体做到体积小、重量轻,还必须经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的条件,做到高可靠性和稳定性。伺服电机分为直流、交流和步进,工业机器人用的较多的是交流。 机器人用伺服电机

二、伺服系统的技术现状 2.1视觉伺服系统 随着机器人技术的迅猛发展,机器人承担的任务更加复杂多样,传统的检测手段往往面临着检测范围的局限性和检测手段的单一性.视觉伺服控制利用视觉信息作为反馈,对环境进行非接触式的测量,具有更大的信息量,提高了机器人系统的灵活性和精确性,在机器人控制中具有不可替代的作用。 视觉系统由图像获取和视觉处理两部分组成,图像的获取是利用相机模型将三维空间投影到二维图像空间的过程,而视觉处理则是利用获取的图像信息得到视觉反馈的过程。基本的相机模型主要包括针孔模型和球面投影模型,统一化模型是对球面模型的推广,将各种相机的图像映射到归一化的球面上。视觉伺服中的视觉反馈主要有基于位置、图像特征和多视图几何的方法。 其中,基于位置的方法将视觉系统动态隐含在了目标识别和定位中,从而简化了控制器的设计,但是一般需要已知目标物体的模型,且对图像噪声和相机标定误差较为敏感。基于图像特征的视觉反馈构造方法,其中基于特征点的方法在以往的视觉伺服中应用较为广泛,研究较为成熟,但是容易受到图像噪声和物体遮挡的影响,并且现有的特征提取方法在发生尺度和旋转变化时的重复性和精度都不是太好,在实际应用中存在较大的问题。因此,学者们提出了基于全局图像特征的视觉反馈方法,利用更多的图像信息对任务进行描述,从而增强视觉系统的鲁棒性,但是模型较为复杂,控制器的设计较为困难,且可能陷入局部极小点。目前针对这一类系统的控制器设计的研究还比较少,一般利用局部线性化模型进行控制,只能保证局部的稳定性。多视图几何描述了物体多幅图像之间的关系,间接反映了相机之间的几何关系。相比于基于图像特征的方法,多视图几何与笛卡尔空间的关系较为直接,简化了控制器的设计。常用的多视图几何包括单应性、对极几何以及三焦张量。 2.2伺服系统控制技术 现代的机器人伺服系统多采用交流伺服驱动系统,而且正在逐渐向数字化方向转变。数字控制技术已经五孔不入,如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器,把功能更加强大的控制器芯片已经各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服系统中,可以实现更好的控制性能。 最近几十年,由于微电子技术的进步,各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场,为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。如今,各种新型的伺服控制策略大量涌现,大有与传统控制策略一较高低的趋势下面简单介绍几种: 1)矢量控制矢量控制技术的提出,为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为:以转子旋转磁场作为参考系,将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量,且使两电流分量相互正交,同时对交直轴电流分量的

二自由度机器人的位置控制

实验二自由度机器人的位置控制 一、实验目的 1. 运用Matlab语言、Simulink及Robot工具箱,搭建二自由度机器人的几何模 型、动力学模型, 2. 构建控制器的模型,通过调整控制器参数,对二自由度机器人的位姿进行控 制,并达到较好控制效果。 二、工具软件 1.Matlab软件 2.Simulink动态仿真环境 3.robot工具箱 模型可以和实际中一样,有自己的质量、质心、长度以及转动惯量等,但需要注意的是它所描述的模型是理想的模型,即质量均匀。这个工具箱还支持Simulink的功能,因此,可以根据需要建立流程图,这样就可以使仿真比较明了。 把robot 工具箱拷贝到MATLAB/toolbox文件夹后,打开matalb软件,点击file--set path,在打开的对话框中选add with subfolders,选中添加MATLAB/toolbox/robot,保存。这是在matlab命令窗口键入roblocks就会弹出robot 工具箱中的模块(如下图)。

三、实验原理 在本次仿真实验中,主要任务是实现对二自由度机器人的控制,那么首先就要创建二自由度机器人对象, 二自由度机器人坐标配置 仿真参数如下表1: 表1 二连杆参数配置

1.运动学模型构建二连杆的运动学模型,搭建twolink模型在MATLAB命令窗口下用函数drivebot(WJB)即可观察到该二连杆的动态位姿图。 %文件名命名为自己名字的首字母_twolink %构造连杆一 L{1}=link([0 0.45 0 0 0],'standard') ; L{1}.m=23.9 ;

液压伺服控制系统的优缺点

液压伺服控制系统的优缺点 参考资料:https://www.doczj.com/doc/7313614382.html,/s/blog_71facf0001010n63.html 液压伺服控制系统,是在液压传动和自动控制理论基础上建立起来的一种自动控制系统。近年来,随着自动控制的发展,无论是电气或液压伺服系统,在所有的工业部门中都开始得到应用,并普遍地为人们所熟知起来。由于其具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、出力大,刚性好,响应快,精度高等特点,因而在工业上获得了广泛的应用。 一、液压伺服控制系统的优点 现对液压伺服控制系统在设计和应用中体现的优缺点进行一下归纳和总结。同机电伺服系统、气动伺服系统相比较,液压伺服系统具有以下的突出特点,以致成为采用液压系统而不采用其他控制系统的主要原因: 1、重量比大 在同样功率的控制系统中,液压系统体积小,重量轻。这是因为对机电元件,例如电动机来说,由于受到激磁性材料饱和作用的限制,单位重量的设备所能输出的功率比较小。液压系统可以通过提高系统的压力来提高输出功率,这时只受到机械强度

和密封技术的限制。在典型的情况下,发电机和电动机的功率比仅为16.8W/N,而液压泵和液压马达的功率——重量比为 168W/N,是机电元件的10倍。在航空、航天技术领域应用的液压马达是675W/N。直线运动的动力装置更加悬殊。 这个特点,在许多场合下,在采用液压伺服而不采用其他伺服系统的重要原因,也是直线运动系统控制系统中多用液压系统的重要原因。例如在航空、特别是导电、飞行器的控制中液压伺服系统得到了很广泛的应用。几乎所有的中远程导弹的控制系统都是采用液压控制系统。 2、力矩惯量比大 一般回转式液压马达的力矩惯量比是同容量电动机的10倍至20倍,一般液压马达为61x10Nm/Kgm2。力矩惯量比大,意味着液压系统能够产生大的加速度,也意味着时间常数小,响应速度快,具有优良的动态性能。因为液压马达或者电动机消耗的功率一部分来克服负载,另一部分消耗在加速液压马达或者电动机本身的转子。所以一个执行元件是否能够产生所希望的加速度,能否给负载以足够的实际功率,主要受到它的力矩惯量比的限制。 这个特点也是许多场合下采用液压系统,而不是采用其他控制系统的重要原因。例如火箭炮武器的防真系统中,要求平台

伺服电机三环控制的原理

伺服电机三环控制的原理(位置环,运动换,电流环) 一、运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环速度环位置环。 1、首先电流环:电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出,我们称为“电流环给定”吧,然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机,“电流环的输出”就是电机的每相的相电流,“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件(磁场感应变为电流电压信号)反馈给电流环的。 2、速度环:速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值,我们称为“速度设定”,这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节(主要是比例增益和积分处理)后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。 3、位置环:位置环的输入就是外部的脉冲(通常情况下,直接写数据到驱动器地址的伺服例外),外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”,设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节(比例增益调节,无积分微分环节)后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器。 编码器安装于伺服电机尾部,它和电流环没有任何联系,他采样来自于电机的转动而不是电机电流,和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的,即使没有电机,只要在每相上安装模拟负载(例如电灯泡)电流环就能形成反馈工作。 二、谈谈PID各自对差值调节对系统的影响: 1、单独的P(比例)就是将差值进行成比例的运算,它的显著特点就是有差调节,有差的意义就是调节过程结束后,被调量不可能与设定值准确相等,它们之间一定有残差,残差具体值您可以通过比例关系计算出。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应,但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。 2、单独的I(积分)就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比,大家不难理解,如果差值大,则积分环节的变化速度大,这个环节的正比常数的比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数,积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快,所以同样如果增大积分速度(也就是减小积分时间常数)将会降低控制系统的稳定程度,直到最后出现发散的震荡过程。这个环节最大的好处就是被调量最后是没有残差的。

液压伺服控制课后题答案大全(王春行版).

第二章 液压放大元件 习题 1. 有一零开口全周通油的四边滑阀,其直径m d 3 108-?=,径向间隙m r c 6105-?=,供油压力Pa p s 51070?=,采用10号航空液压油在40C ?工作,流量系数62.0=d C ,求阀的零位系数。s pa ??=-2104.1μ3/870m kg =ρ 解:对于全开口的阀,d W π= 由零开口四边滑阀零位系数 s m p w C K s d q /4.1870/107010814.362.02530=????=?=-ρ ()s p m r K a c c ??=???????=?=----/104.410 4.13210814.310514.3323 122 3620μπ m p K K r p C K a c q c s d p /1018.332110 02 0?== ?= πρ μ 2. 已知一正开口量m U 3 1005.0-?=的四边滑阀,在供油压力Pa p s 51070?=下测得零位泄漏流量min /5L q c =,求阀的三个零位系数。 解:正开口四边滑阀零位系数ρ s d q p w c k 20= s s d co p p wu c k ρ = ρ s d c p wu c q 2= s m q K c q /67.11005.060/1052 3 30 =??==--ν s a s c c p m p q K ?--?=???==/1095.51070260/10523125 30 m p K K K a c q p /1081.2110 00?==

3. 一零开口全周通油的四边滑阀,其直径m d 3 108-?=,供油压力Pa p s 510210?=,最大开口量m x m 30105.0-?=,求最大空载稳态液动力。 解:全开口的阀d W π= 最大空载液动力: 4.11310 5.010********.343.043.035300=???????=??=--?m s s x p W F 4. 有一阀控系统,阀为零开口四边滑阀,供油压力Pa p s 510210?=,系统稳定性要求阀的流量增益s m K q /072.22 0=,试设计计算滑阀的直径d 的最大开口量m x 0。计算时取流量系数62.0=d C ,油液密度3 /870m kg =ρ。 解:零开口四边滑阀的流量增益: 870 /1021014.362.0072.25 0????=??=d p W C K s d q ρ 故m d 3 1085.6-?= 全周开口滑阀不产生流量饱和条件 67max >v X W mm X om 32.0=

伺服系统的扭矩控制

伺服系统的扭矩控制(Toque Control)和速度控制(Velocity Control)? 作者:不详来源:互联网 一般定位上的伺服系统之伺服马达控制方式可分为扭矩控制(Toque Control)及速度控制(Velocity Control)两类,这两种控制方式都需要控制器和驱动器一起配合才有办法动作,扭矩控制定位时,速度增益是在控制器上调整,驱动器只要把命令转换成马达相对的输出扭矩即可,而速度控制定位时,速度增益是在驱动器上调整,驱动器要把命令转换成马达相对的转速输出.两者方式详细说明如下:所谓的扭矩控制就(Toque Control)是伺服控制器输出的+/- 10V 电压命令到伺服驱动器上所代表的是要控制伺服马达扭矩的大小,正电压越大代表控制马达的正向输出扭矩越大,负电压越大代表控制马达的逆向输出扭矩越大, 若命令电压为0V时则表示马达没有输出扭矩,在动作时,控制器会先输出扭矩控制命令给驱动器,驱动器会根据这命令控制马达的输出扭矩,而控制器同时根据外部编码器(一般皆安装在马达尾端) 回授来决定输出的扭矩命令是否要加强或是减弱,然后连续重复执行这种动作以达到定位位置.这种控制方式对控制器本身来说会比较复杂一点,因为速度增益要在控制器上做调整,多了一项参数要执行,而驱动器上则较为简单,至要把输入的控制命令转换成马达相对的扭矩输出即可,不需要考虑扭力是否足够负荷外部负载,这问题是由控制器那边去考虑的,所以这类的伺服驱动器一般都只是单纯的马达电流比例控制而已. 扭矩控制方式的优点是可以在控制器上随时改变马达的输出扭矩大小而不需要在驱动器上做硬性的调整,这种灵活的扭矩控制方式可以在某些场合上达到特

现代交流伺服系统原理及控制方法

现代交流伺服系统原理及控制方法 现代交流伺服系统,经历了从模拟到数字化的转变,数字控制环已经无处不在,比如换相、电流、速度和位置控制;采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块(比如IR推出的伺服控制专用引擎)也不足为奇。本文主要介绍了现代交流伺服系统原理及控制方法,具体的跟随小编一起来了解一下。 现代交流伺服系统原理交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成,其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体,使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域,还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(dsp)作为控制核心,其优点是可以实现比较复杂的控制算法,事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(ipm)为核心设计的驱动电路,ipm内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板(驱动板)是强电部,分其中包括两个单元,一是功率驱动单元ipm用于电机的驱动,二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。 控制板是弱电部分,是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出pwm信号,作为驱动电路的驱动信号,来改逆变器的输出功率,以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。 功率驱动单元 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的

三菱伺服位置控制

细数三菱伺服绝对值位置控制系统 绝对值位置控制系统对于经常使用的点位控制系统来说,是一种非常方便实用的位置控制方式。一旦原点设置后,完毕每次停电后开机时,这种系统不需要回原点,大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列PLC是在实际中经常用到的伺服系统和控制器,本文讨论在某些特殊的应用场合,如何应用它们来构建一个绝对值位置控制系统。 控制任务简介 这是一个实际使用的控制任务,a点是设备的原始位置,b点是设备的工作位置。开始工作后,设备以位置控制方式移到工作位置b,然后,设备从b以速度控制方式点向a点移动。在移动过程中,执行一些其他的任务,当这些任务完成后在a与b之间的任一位置c点停止。然后以位置控制方式回到原始位置a点,这样整个工作循环结束。 控制平台 三菱j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列plc的功能和特性:三菱mr-j2s-a 系列的伺服系统中伺服电机的编码器为每转为131072线的绝对值编码器,伺服驱动器能够在停电情况下记住伺服电机的当前位置。该伺服系统有位置控制、速度控制和转矩控制三种运行方式。同时该伺服系统内置绝对位置专用传输协议,如果菱mr-j2s-a系列的伺服系统工作在位置方式,则可配合fx2n系列plc的dabs(读绝对位置)指令,在伺服驱动器通电后伺服on(son信号)有效时,plc中读出伺服电机的当前位置。但仅在son信号接通时的上升沿开始传输当前伺服电机位置一次,在son信号接通以后将不再传输伺服电机的当前绝对位置。伺服电机的当前绝对位置

由位置控制装置(如fx2n-1pg模块)根据发出的脉冲数来确定。这实际上是一个开环控制系统。在不发生报警或者脉冲传输不受到干扰的情况下,整个位置控制系统的位置将不会丢失。如果工作在速度控制方式则不能在son接通时读取伺服电机的绝对位置,在整个工作过程中,也无法确定取伺服电机的绝对位置。 任务分析 在本任务中,伺服驱动器将工作在位置控制和速度控制两种方式。a点和b点的定位操作,要求控制系统必需记住伺服电机的位置,但由于b点与c点之间的速度运行方式,使得传统的控制系统不能获知伺服电机的位置。因为尽管在位置方式位置控制器能确定伺服电机的位置,但在伺服驱动器从位置方式转变为速度方式后,位置控制器将不起作用,所以也无法确定伺服电机的位置。由于在整个控制过程中,既有位置控制方式,又有速度控制方式,所以典型的传统控制配置将不能满足本控制任务,必须采用一种新的控制方式来实现控制。 控制方案的硬件配置 上述问题的基本解决思路是通过plc与伺服驱动器的通讯方式,来实时读取伺服电机的当前实际位置,这样不管伺服系统处于位置控制方式,还是在速度控制方式,控制系统都能知道伺服电机的当前位置,从而使系统能正确地定位在a点和b 点。通过查阅资料,我们了解到三菱j2s系列伺服系统除了内置绝对位置专用传输协议外,还内置了三菱伺服通讯协议;三菱fx2n系列内置了无协议通讯指令(rs指令),所以我们可使用rs指令根据伺服驱动器的通讯协议来读取电机当前位置。 fx2n系列plc为主控制器,扩展特殊模块fx2n-1pg为定位模块,其输出为频率和脉冲数可控的定位脉冲。当plc主系统通过通讯方式获得伺服电机当前位置的前提下,能在定位指令的驱动下,驱动伺服电机到给定位置;扩展特殊模块fx2n-4da

二自由度PID控制系统设计

二自由度PID控制系统设计与研究 孙维(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011) 指导老师:杨伟 摘要:传统的PID控制是一自由度的PID控制,只能对系统的一个控制参数进行设定,所以很难在实际控制中得到理想的控制效果。而二自由度PID控制系统可以独立设定两个控制参数,使系统的设定值跟踪效果和抑制干扰的效果同时达到最优。本文首先对二自由度PID控制方式做以介绍。其次,根据事先选定的被控对象的传递函数对被控系统加以分析,建立被控对象频域特性的二阶系统模型,对控制参数加以整定。再次,根据对几种控制方式的控制效果的比较,做出二自由度PID控制方式的选择。最后通过Matlab软件进行仿真,并对结果加以分析。 关键词:二自由度PID控制,设定值跟踪,干扰抑制 一、引言 PID控制方式在工业控制过程中是最常见的方式。但传统的PID控制器,无法做到既可以跟踪设定值又可以抑制各种外界干扰。原因在于传统PID控制只可以设定一个PID控制参数,即一自由度PID 控制器。在这种控制方法中,PID控制参数的整定只可以是将目标值跟踪特性和抑制外界干扰特性的折中的处理方法。 二自由度的PID控制方式是在传统的PID控制中想办法整定两套能独立整定的PID控制参数,从而使被控制系统的目标值跟踪特性和外界干扰抑制特性可以同时达到最佳的控制效果的控制方式。基于这种理论的基础之上,人们发展了很多智能型的PID控制器,比如专家型的PID控制器、神经网络PID 控制器、基于遗传算法PID控制器等等。本文采用专家型的二自由度PID控制器来提升被控制系统的控制效果。 二、二自由度的PID控制方式及其选择 2.1控制方式介绍 2.1.1前馈型PID控制方式(专家式) 目前实际应用中的二自由度PID控制方式包括前馈型和滤波型两种。当控制系统中的被控对象参数发生变化时,利用人工改变相应PID控制参数及二自由度化系数是比较繁琐的。为了克服这一问题人们设计了一种前馈型的二自由度PID控制方式,即专家式自动整定调节器。 前馈型PID调节器再根据阶跃响应法辨识出被控制对象G(s)的大致参数后依据整定公式求出使干扰抑制特性达到最佳的PID控制参数值,然后依据系统的参数以及为满足系统不同控制品质要求而设定的超调量δ的大小,查找出比例尺增益二自由度化系数α的值、积分时间二自由度化系数β矩阵表,得到相对应的α、β值,使系统响应趋于控制效果最佳的设定目标。在本文中将采用滤波型二自由度PID 控制方式的结构设计控制器。所以重点研究滤波型二自由度PID控制方式的结构特点。 2.1.2设定值滤波型控制

伺服电机控制系统的三种控制方式

伺服电机控制系统的三种控制方式 力辉伺服控制系统一般分为三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的,位置控制是通过发脉冲来控制的。?(1)如果对电机的速度、位置都没有要求,只要输出一个恒转矩,当然是用转矩模式。? (2)如果对位置和速度有一定的精度要求,而对实时转矩不是很关心,用转矩模式不太方便,用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能,用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高,或者基本没有实时性的要求,用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。? 就伺服驱动器的响应速度来看,转矩模式运算量最小,驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大,驱动器对控制信号的响应最慢。? 对运动中的动态性能有比较高的要求时,需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如,或低端运动控制器),就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快,可以用速度方式,把位置环从驱动器移到控制器上,减少驱动器的工作量,提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器,还可以用转矩方式控制,把速度环也从驱动器上移开,这一般只是高端专用控制器才能这么干,而且,这时完全不需要使用。? 换一种说法是:? 1、转矩控制:转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小,具体表现为例如10V对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为;如果电机轴负载低于时电机正转,外部负载等于时电机不转,大于时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。? 应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中,例如饶线装置或拉光纤设备,转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。? 2、位置控制:位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度,也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置。?应用领域如、印刷机械等等。? 3、速度模式:通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制,在有上位控制装置的外环PID控制时,速度模式也可以进行定位,但必须将电机的位置信号或直接负

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