位置伺服系統的結構和原理

　　位置伺服系統應用很廣，例如數控機床中的兩個(gè)進(jìn)給軸(y軸和z軸)的驅動(dòng)；機器人的關(guān)節驅動(dòng)；x-y記錄儀中筆的平面位置控制；攝、錄像機的磁鼓驅動(dòng)系統；至于低速速率控制或對瞬時(shí)轉速有要求時(shí)，也必須采用位置伺服控制。顯然，步進(jìn)電動(dòng)機很適合應用于位置控制，但是在高頻響、高精度和低噪聲三方面，直流電動(dòng)機更具有明顯的優(yōu)越性。

1.經(jīng)典位置伺服系統的結構

圖1 經(jīng)典位置伺服系統

　　圖1所示為傳統或經(jīng)典的位置伺服系統。圖中，旋轉式電位器與電動(dòng)機同軸，電位器的輸出電壓V_θ與位置成線(xiàn)性關(guān)系。位置傳感器是系統必不可少的環(huán)節。位置調節器將位置給定信號V_g與位置反饋信號V_θ之差值通過(guò)調節器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，然后送至速率調節器、電流調節器，即經(jīng)過(guò)外環(huán)、中環(huán)、內環(huán)三個(gè)閉環(huán)調節器的校正再由模擬功率接口驅動(dòng)伺服電動(dòng)機，實(shí)現位置伺服控制。在這個(gè)系統中，位置調節器的作用是使位置給定V_g與V_θ的偏差向最小變化。速度反饋調節器的主要作用是阻尼位置調節過(guò)程的超調。電流調節器的作用是減小力矩波動(dòng)，改善動(dòng)態(tài)響應的快速性，并對最大電流進(jìn)行限定等。濾波電路的作用是濾除位置或速率傳感器輸出信號中的諧波信號。以上各環(huán)節的參數的設計和整定應根據具體的負載的性質(zhì)（力矩和慣量的大?。?，以便滿(mǎn)足位置伺服精度的要求。

　　顯然，當負載性質(zhì)變化時(shí)，經(jīng)典位置伺服系統的硬件參數應該作相應變化，這對于硬件伺服系統是難以進(jìn)行的。而計算機實(shí)現的數字控制系統卻很容易實(shí)現。經(jīng)典系統采用模擬功率驅動(dòng)接口，功率損耗大，性能難提高，目前只在微小功率、低成本和低精度的場(chǎng)合中被采用。

2. 數字控制伺服系統的結構

圖2 數字控制伺服系統{{分頁(yè)}}

　　圖2所示是數字控制伺服系統。它由計算機控制器、PWM功率驅動(dòng)接口、傳感器接口和電機本體四部分組成。計算機的作用是：完成位置信號的設置，根據傳感器接口給出的絕對零位脈沖和正、反位置反饋脈沖計算位置偏差，再由純軟件方法或軟件硬件結合的方法實(shí)現位置、速率和電流反饋控制，產(chǎn)生PWM脈寬調制信號，最后由PWM功率開(kāi)關(guān)接口對電動(dòng)機進(jìn)行最終的功率驅動(dòng)。在這個(gè)系統中，由于反饋控制是通過(guò)軟件實(shí)現的，故可以根據負載的性質(zhì)改變系統參數，求得最佳匹配。信號濾波也可以通過(guò)軟件實(shí)現，更有可能通過(guò)計算機補償技術(shù)使傳感器精度得以補償提高。計算機控制在可靠性、小型化、聯(lián)網(wǎng)群控制等方面的優(yōu)點(diǎn)都是經(jīng)典模擬伺服系統無(wú)法比擬的。

　　最后需要指出的是，受計算機控制器速度的影響，全數字化的位置伺服系統的實(shí)現還存在一定的困難。

3.主要接口電路

　　(1)功率接口

　　功率接口電路常稱(chēng)為主回路。直流伺服系統中大多采用脈寬調制（Pulse Width Modulation）技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM。小功率PWM功率開(kāi)關(guān)接口均采用全控型功率開(kāi)關(guān)器件，也即自關(guān)斷器件，例如：GTR、MOSFET和IGBT。它們的主要性能指標可用反向耐壓、工作電流和開(kāi)關(guān)頻率來(lái)表示。三個(gè)參數的經(jīng)驗取值為：反向耐壓應有2倍以上余量，工作電流應有2~4倍左右余量，開(kāi)關(guān)頻率應與實(shí)際工作頻率相當。功率驅動(dòng)電路的基本類(lèi)型如圖3所示。其中，H橋功率驅動(dòng)接口適用于有刷電動(dòng)機，三相橋功率接口適用于無(wú)刷伺服電動(dòng)機。圖中VT₁~VT₆是大功率晶體管（GTR），也可以采用絕緣柵型的功率晶體管(IGBT)，當然也可以采用場(chǎng)效應管(MOSFET)。D₁~D₆是續流二極管。由于H橋和三相橋功率接口可以對電動(dòng)機繞組施加