位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

　　位置伺服系統(tǒng)應(yīng)用很廣，例如數(shù)控機(jī)床中的兩個(gè)進(jìn)給軸(y軸和z軸)的驅(qū)動(dòng)；機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)；x-y記錄儀中筆的平面位置控制；攝、錄像機(jī)的磁鼓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；至于低速速率控制或?qū)λ矔r(shí)轉(zhuǎn)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(jī)很適合應(yīng)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(jī)更具有明顯的優(yōu)越性。

1.經(jīng)典位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 經(jīng)典位置伺服系統(tǒng)

　　圖1所示為傳統(tǒng)或經(jīng)典的位置伺服系統(tǒng)。圖中，旋轉(zhuǎn)式電位器與電動(dòng)機(jī)同軸，電位器的輸出電壓V_θ與位置成線性關(guān)系。位置傳感器是系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。位置調(diào)節(jié)器將位置給定信號V_g與位置反饋信號V_θ之差值通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，然后送至速率調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，即經(jīng)過外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)三個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)器的校正再由模擬功率接口驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)位置伺服控制。在這個(gè)系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的主要作用是阻尼位置調(diào)節(jié)過程的超調(diào)。電流調(diào)節(jié)器的作用是減小力矩波動(dòng)，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(jié)的參數(shù)的設(shè)計(jì)和整定應(yīng)根據(jù)具體的負(fù)載的性質(zhì)（力矩和慣量的大小），以便滿足位置伺服精度的要求。

　　顯然，當(dāng)負(fù)載性質(zhì)變化時(shí)，經(jīng)典位置伺服系統(tǒng)的硬件參數(shù)應(yīng)該作相應(yīng)變化，這對于硬件伺服系統(tǒng)是難以進(jìn)行的。而計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)卻很容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)典系統(tǒng)采用模擬功率驅(qū)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合中被采用。

2. 數(shù)字控制伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)字控制伺服系統(tǒng){{分頁}}

　　圖2所示是數(shù)字控制伺服系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)控制器、PWM功率驅(qū)動(dòng)接口、傳感器接口和電機(jī)本體四部分組成。計(jì)算機(jī)的作用是：完成位置信號的設(shè)置，根據(jù)傳感器接口給出的絕對零位脈沖和正、反位置反饋脈沖計(jì)算位置偏差，再由純軟件方法或軟件硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)位置、速率和電流反饋控制，產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，最后由PWM功率開關(guān)接口對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最終的功率驅(qū)動(dòng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，由于反饋控制是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，故可以根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)改變系統(tǒng)參數(shù)，求得最佳匹配。信號濾波也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，更有可能通過計(jì)算機(jī)補(bǔ)償技術(shù)使傳感器精度得以補(bǔ)償提高。計(jì)算機(jī)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(tǒng)無法比擬的。

　　最后需要指出的是，受計(jì)算機(jī)控制器速度的影響，全數(shù)字化的位置伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還存在一定的困難。

3.主要接口電路

　　(1)功率接口

　　功率接口電路常稱為主回路。直流伺服系統(tǒng)中大多采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation）技術(shù)，簡稱PWM。小功率PWM功率開關(guān)接口均采用全控型功率開關(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(biāo)可用反向耐壓、工作電流和開關(guān)頻率來表示。三個(gè)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值為：反向耐壓應(yīng)有2倍以上余量，工作電流應(yīng)有2~4倍左右余量，開關(guān)頻率應(yīng)與實(shí)際工作頻率相當(dāng)。功率驅(qū)動(dòng)電路的基本類型如圖3所示。其中，H橋功率驅(qū)動(dòng)接口適用于有刷電動(dòng)機(jī)，三相橋功率接口適用于無刷伺服電動(dòng)機(jī)。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(dāng)然也可以采用場效應(yīng)管(MOSFET)。D₁~D₆是續(xù)流二極管。由于H橋和三相橋功率接口可以對電動(dòng)機(jī)繞組施加