一文知道伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟及方法

　　伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)采用機(jī)電一體化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)，沒(méi)有一成不變的答案，也沒(méi)有統(tǒng)一的方法來(lái)得到答案。不同要求的伺服系統(tǒng)，可采用不同的方法來(lái)設(shè)計(jì)，因而得到結(jié)構(gòu)不同的伺服系統(tǒng)。即使同樣要求的伺服系統(tǒng)，不同的設(shè)計(jì)者也可能采用不同的設(shè)計(jì)方法，因而得到不同的設(shè)計(jì)方案。

　　伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，決定了其設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性。實(shí)際伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很難一次成功的，往往都要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)修改和調(diào)試才能獲得滿意的結(jié)果。下面僅對(duì)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟和方法作一簡(jiǎn)單介紹。

　　伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

　　機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。下圖給出了伺服系統(tǒng)組成原理框圖。

　　圖 伺服系統(tǒng)組成原理框圖

　　1、比較環(huán)節(jié)

　　比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　2、控制器

　　控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

　　3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

　　執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。

　　4、被控對(duì)象

　　5、檢測(cè)環(huán)節(jié)

　　檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

　　伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　1、穩(wěn)定性

　　伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性指在系統(tǒng)。上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，或者在輸入的指令信號(hào)作用下，能夠達(dá)到的新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。

　　穩(wěn)定性要求是一項(xiàng)最基本的要求，是保證伺服系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的最基本條件。伺服系統(tǒng)在其工作范圍內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定的，其穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)，可采用自動(dòng)控制理論所提供的各種方法來(lái)加以控制。

　　2、精度

　　伺服系統(tǒng)的精度是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度。

　　系統(tǒng)中各個(gè)元件的誤差都會(huì)影響到系統(tǒng)的精度，如傳感器的靈敏度和精度、伺服放大器的零點(diǎn)漂移和死區(qū)誤差、機(jī)械裝置中的反向間隙和傳動(dòng)誤差、各元器件的非線性因素等。反映在伺服系統(tǒng)_上就會(huì)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差，伺服系統(tǒng)應(yīng)在比較經(jīng)濟(jì)的條件^下達(dá)到給定的精度

　　3、快速響應(yīng)性

　　快速響應(yīng)性是指系統(tǒng)輸出量快速跟隨輸入指令信號(hào)變化的能力，它主要取決于系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率可以提高快速響應(yīng)性，但對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和最大超調(diào)量有不利影響，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)兩者進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)速度盡可能快。

　　4、靈敏度

　　系統(tǒng)各元件的參數(shù)變化等都會(huì)影響系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)對(duì)這些變化的靈敏度要小，即系統(tǒng)的性能應(yīng)不受參數(shù)變化的影響。具體措施為：對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)嚴(yán)格挑選各元件;對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，對(duì)輸出通道中元件的挑選標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬，對(duì)反饋通道的各元件必須嚴(yán)格挑選，以改善系統(tǒng)的靈敏度。

　　伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟及方法

　　一、設(shè)計(jì)要求分析，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　首先對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，明確其應(yīng)用場(chǎng)合和目的、基本性能指標(biāo)及其它性能指標(biāo)，然后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件擬定幾種技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)、對(duì)比，選定一種比較合理的方案。

　　方案設(shè)計(jì)應(yīng)包括下述一些內(nèi)容：控制方式選擇；執(zhí)行元件選擇；傳感器及其檢測(cè)裝置選擇；機(jī)械傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇等。方案設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇只是初步的，還要在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)一步修改確定。

　　二、系統(tǒng)性能分析

　　方案設(shè)計(jì)出來(lái)后，盡管各具體結(jié)構(gòu)參數(shù)還沒(méi)有確定，也應(yīng)先根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式對(duì)其基本性能進(jìn)行初步分析。

　　首先畫出系統(tǒng)方框圖，列出系統(tǒng)近似傳遞函數(shù)，并對(duì)傳遞函數(shù)及方框圖進(jìn)行化簡(jiǎn)（一般應(yīng)簡(jiǎn)化成二階以下系統(tǒng)），然后在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度及快速響應(yīng)性進(jìn)行初步分析，其中最主要的是穩(wěn)定性分析，如不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)考慮修改方案或增加校正環(huán)節(jié)。

　　三、執(zhí)行元件及傳感器的選擇

　　方案設(shè)計(jì)只是對(duì)執(zhí)行元件及傳感器進(jìn)行了初步選型，這一步應(yīng)根據(jù)具體速度、負(fù)載及精度要求來(lái)具體確定執(zhí)行元件及傳感器的參數(shù)和型號(hào)。

　　四、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意消除各種傳動(dòng)間隙，盡量提高系統(tǒng)剛度、減小慣量及摩擦，尤其在設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌時(shí)要防止會(huì)產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象。

　　五、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)沒(méi)計(jì)包括信號(hào)處理及放大電路、校正裝置、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等的詳細(xì)設(shè)計(jì)，如果采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，還應(yīng)包括接口電路及控制器算法軟件的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇及與機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)的匹配，以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度和快速響應(yīng)性，并滿足精度要求。

　　六、系統(tǒng)性能復(fù)查

　　所有結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，可重新列出系統(tǒng)精確的傳遞函數(shù)，但實(shí)際的伺服系統(tǒng)一般都是高階系統(tǒng)，因而還應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)化簡(jiǎn)，才可進(jìn)行性能復(fù)查。經(jīng)過(guò)復(fù)查如發(fā)現(xiàn)性能不夠理想，則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改算法，甚至重新設(shè)計(jì)，直到滿意為止。

　　七、系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

　　上述設(shè)計(jì)與分析都還處于理論階段，實(shí)際系統(tǒng)的性能，還需通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。測(cè)試實(shí)驗(yàn)可在模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，也可在試制的樣機(jī)上進(jìn)行。通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，往往還會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，必須采取措施加以解決。

　　八、系統(tǒng)設(shè)計(jì)定案

　　經(jīng)過(guò)上述7個(gè)步驟及其中多次反復(fù)而得到滿意的結(jié)果后，可以將設(shè)計(jì)方案確定下來(lái)，然后整理設(shè)計(jì)圖樣及設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書等技術(shù)文件，準(zhǔn)備投入正式生產(chǎn)。