第二章 工作臺的控制設計部分
2.1 閉環控制的伺服系統設計
2.1.1 關於伺服系統
⒈ 伺服系統的基本概念
伺服系統，亦稱隨動系統，是一種能夠跟蹤輸入的指令訊號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統。
大多數伺服系統具有檢測反饋迴路，因而伺服系統是一種反饋控制系統。按照反饋控制理論，伺服系統需不斷檢測在各種擾動作用下被控物件輸出量的變化，與指令值進行比較，並用兩者的偏差值對系統進行自動調節，以消除偏差，使被控物件輸出量始終跟蹤輸入的指令值。
伺服系統是根據輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進行動作控制的。因此伺服系統的工作過程是一個偏差不斷產生，由不斷消除的動態過渡過程。
⒉伺服系統的基本結構
伺服系統是由一些功能元件組成的。
比較元件
是將輸入的指令訊號與系統的反饋訊號進行比較，以獲得控制系統動作的偏差訊號的環節，通常可通過電子電路或計算機軟體來實現。
調節元件
又稱控制器，其作用是對比較元件輸出的偏差訊號進行變換、放大，以控制執行元件按要求動作。其功能一般由軟體演算法加硬體電路來實現，或單獨由硬體電路來實現。
執行元件
其作用是在控制訊號的作用下，將輸入的各種形式的能量轉換成機械能，驅動被控物件工作。
被控物件
是伺服系統中被控制的裝置或裝置，是直接實現目的功能或主功能的主體，其行為質量反映著整個伺服系統的效能。
測量反饋元件
是指感測器及其訊號檢測裝置，用於實時間測被控物件的輸出量並將其反饋到比較元件。
⒊ 伺服系統的基本要求
穩定性
是指作用在系統上的擾動訊號消失後，系統能夠恢復到原來的穩定狀態下執行，或者在輸入的指令訊號作用下，系統能夠達到新的穩定執行狀態的能力。
伺服系統的穩定性是系統本身的一種特性，取決於系統的結構及組成元件的引數，與外界作用訊號的性質或形式無關。
精度
是指其輸出量復現輸入指令訊號的精確程度。伺服系統工作過程中通常存在三種誤差，即動態誤差、穩態誤差和靜態誤差。
快速響應性
快速響應性是衡量伺服系統動態效能的一項重要指標。它有兩方面的含義，一是指動態響應過程中，輸出量跟隨輸入指令訊號變化的迅速程度，二是指動態響應過程結束的迅速程度。
2.1.2 閉環伺服系統的設計
當精度要求高時，應採用閉環控制方案。它將全部機械傳動及執行機構都封閉在反饋控制環內，其誤差都可以通過控制系統得到補償，因而可達到很高的精度。
⒊閉環伺服系統方框圖
其閉環傳遞函式為：
W(S)=X(S)/RP(S)
=K1K2K3Kmωn2/[S(1+K2KωKm+τjs)(s2+2ξωns+ωn2)+K1K2K3KPKmωn2]
⒋執行元件的選擇
由於直流伺服電機具有優良的動靜態特性，並且易於控制，因此選用直流伺服電機。
⒌檢測反饋元件的選擇
由於工作臺需要檢測位置並且被測量量為直線位移，而工作臺的伺服系統採用計算機數字控制，因此位置檢測感測器採用數字感測器光柵。
⒍機械系統與控制方案的確定
機械傳動與執行結構由執行元件通過減速器和滾動絲槓螺母機構，驅動工作臺運動。
控制方案的確定，主要包括執行元件控制方式的確定和系統伺服控制方式的確定。
由於本文采用的是直流伺服電機，因此採用電晶體脈寬調製（PWM）控制。
2.2 調速系統的設計——閉環脈寬直流調速
⒈ 脈寬調速原理
電晶體脈衝調製型開關放大器（PWM放大器）利用對大功率電晶體開關時間的控制，將直流電壓轉換成某種頻率的方波電壓，加在直流電動機的電樞兩端，通過對方波脈衝寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而達到調節電動機轉速和轉矩的要求。控制訊號由計算機控制系統給定，通過介面和功放電路驅動直流伺服電動機。
⒉ PWM電晶體功率放大器的工作原理
功率放大器又稱功放電路，目前主要有兩種，一種是閘流體功率放大器，另一種是電晶體脈衝寬度調製（PWM）功放大器。後者與前者相比具有結構簡單、功耗低、效率高、工作可靠等優點，故本設計採用後者。
PWM電晶體功率放大器由兩部分組成，一部分是電壓-脈寬變換器，另一部分是開關功率放大器，其結構如圖1所示。
圖2.1 PWM電晶體功率放大器結構圖
電壓-脈寬變換器
電壓-脈寬變換器的作用是根據控制指令對脈衝寬度進行調製，以便用寬度隨指令變化的脈衝訊號去控制大功率電晶體的導通時間，實現對電樞繞組兩端電壓的控制。
電壓-脈寬變換器由三角波發生器加法器和比較器組成。三角波發生器用於產生一定頻率的三角波UT，該三角波經加法器與輸入的指令訊號UI相加，產生訊號UI+UT，然後送入比較器。比較器是一個工作在開環狀態下的運算放大器，具有極高的開環增益及限副開關特性。兩個輸入端的訊號差的微弱變化，會是比較器輸出對應的開關訊號。一般情況下，比較器負輸入端接地，訊號UI+UT從正端輸入。當UI+UT>0時，比較器輸出滿幅度的正電平；當UI+UT<0時，比較器輸出滿幅度的負電平。
電壓-脈寬變換器對訊號波形的調製過程如圖2所示。可見，由於比較器的限副特性，輸出訊號US的幅度不變，但脈衝寬度隨UI的變化而變化。US的頻率由三角波的頻率所決定。
當指令訊號UI=0時，輸出訊號US為正負脈衝寬度相等的矩形脈衝。
當UI>0時，US的正脈寬大於負脈寬。
當UI<0時，US的負脈寬大於正脈寬。
當UI≥UTPP／2（UTPP是三角波的峰-峰值）時，US為一正直流訊號；當UI≤UTPP／2時，US為一負直流訊號。
選用整合化的LM3524電壓-脈寬變換器晶片 。
⒊ 開關功率放大器
開關功率放大器的作用是對電壓-脈寬變換器輸出的訊號進行放大，輸出具有足夠功率的訊號，以驅動直流伺服電動機。
開關功率放大器常採用大功率電晶體構成。根據各電晶體基極所加的控制電壓波形，可分為單極性輸出、雙極性輸出和有限單極性輸出三種方式。
圖 2.3是雙極性輸出的H型橋式PWM電晶體功率放大器的電路原理圖。
&nb