伺服控制系統是一種能對試驗裝置的機械運動按預定要求進行自動控制的操作系統。在很多情況下,伺服系統專指被控制量(系統的輸出量)是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統,其作用是使輸出的機械位移(或轉角)準確地跟蹤輸入的位移(或轉角)。伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。
衡量伺服控制系統性能的主要指標系統精度、穩定性、響應特性、工作頻率四大方面,特別在頻帶寬度和精度方面。
頻帶寬度簡稱帶寬,由系統頻率響應特性來規定,反映伺服系統的跟蹤的快速性。帶寬越大,快速性越好。
大多數人都熟悉帶寬,因為它與網絡和WiFi服務有關——例如,WiFi信號傳輸的2.4 GHz和5 GHz頻段。但帶寬在伺服控制和調諧中也起著重要的作用。
伺服控制系統的帶寬表示系統對輸入命令(位置、速度或轉矩)變化的響應速度。系統中的每個控制環路都有自己的帶寬,在級聯控制環路中,Zui內層環路(電流控制)應該具有Zui高的帶寬。下一個環路(速度控制)會有更低的帶寬,在某些應用中,速度環路帶寬可以比當前環路帶寬低一個數量級。Zui外層環(位置控制)的帶寬可以比速度環低一個數量級。
在級聯控制環路中,Zui內層環路(電流)應具有Zui高帶寬
伺服系統使用控制回路來確定伺服驅動器應該向電機提供多少電流,以糾正命令值(位置,速度或扭矩)與實際值之間的任何錯誤。大多數先進的伺服系統使用三個控制回路:控制電流,控制速度,控制位置。
幅度響應是對輸出信號的幅度與輸入信號的幅度的度量。如果輸出與輸入完全匹配,則輸出將具有與輸入信號相同的幅度,換句話說,0 dB幅度增益。
-3 dB振幅響應表示輸出增益(輸出與輸入之比)等于其Zui大值的70.7%,相應地,傳遞給負載的功率等于輸入功率的50%。
伺服系統的帶寬是從0到閉環幅值響應達到-3 dB的頻率范圍
幅值響應和相位響應共同構成了伺服系統的頻率響應。頻率響應是衡量系統穩定性的關鍵指標,用伯德圖表示。
伯德圖顯示了一定頻率范圍內的幅度響應(上)和相位響應(下)
一般來說,伺服控制的帶寬越高,控制回路中可以設置的增益就越高。理論上,當系統具有Zui高的帶寬和Zui高的控制環路增益時,可以實現Zui大的動態性能。
然而,高帶寬意味著控制系統將迫使電機積極響應輸入命令的變化。這意味著電機需要更快地加速并產生更大的力/扭矩,這兩者都需要更大的功率,而這反過來又會產生熱量。因此,電機的熱特性,其散熱或耐熱的能力,是控制系統帶寬的限制因素。
伺服控制系統的帶寬也會受到諸如負載、電機慣性比和系統順應性等因素的限制,以及反饋裝置的分辨率和控制回路的更新速率。
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