高精度算法助力伺服系统消除累积误差 (高精度计算算法)

一、引言

随着现代科技的飞速发展，伺服系统在众多领域中的应用日益广泛，如机器人、数控机床、工业自动化等。
伺服系统的性能直接影响到这些领域的产品质量和生产效率。
伺服系统在运行过程中不可避免地会产生累积误差，这在一定程度上限制了系统的高精度运行。
为了提升伺服系统的性能，消除累积误差成为了一个重要的研究方向。
高精度算法的出现为解决这个问题提供了有效的途径。

二、伺服系统简介

伺服系统是一种自动控制装置，其主要功能是根据输入指令完成特定的运动控制任务。
伺服系统的性能受到许多因素的影响，其中累积误差是一个重要的问题。
累积误差主要来源于系统硬件的不完美、环境因素以及软件算法的不精确等方面。
这些误差会随着时间的推移逐渐积累，最终导致系统性能下降。

三、累积误差的来源及影响

伺服系统中的累积误差主要来源于以下几个方面：

1. 传感器误差：传感器是伺服系统中的重要组成部分，其精度直接影响到系统的性能。传感器误差主要包括量程误差、零点漂移等。
2. 控制器误差：控制器是伺服系统的核心部分，其性能直接影响到系统的运动控制精度。控制器误差主要来源于算法的不完善、参数设置不当等。
3. 机械部件误差：机械部件的制造和装配误差也会导致系统运行时的累积误差。

累积误差对伺服系统的影响主要体现在以下几个方面：

1. 降低运动精度：累积误差会导致系统运动轨迹偏离预期轨迹，从而降低运动精度。
2. 增加能耗：累积误差可能导致系统不稳定，从而增加能耗。
3. 缩短使用寿命：长期累积误差可能导致系统硬件损坏，从而缩短使用寿命。

四、高精度算法在伺服系统中的应用

为了消除伺服系统中的累积误差，提高系统性能，高精度算法被广泛应用于伺服系统中。常见的高精度算法包括：

1. 滤波算法：滤波算法可以有效地减少传感器噪声和干扰，提高传感器测量精度。
2. 控制器优化算法：通过优化控制器的参数和算法，提高控制器的性能，从而减少控制器误差。
3. 深度学习算法：深度学习算法可以通过学习系统的运行数据，自动调整系统参数，提高系统的自适应能力和鲁棒性。

五、高精度算法消除累积误差的实现方式

通过高精度算法消除伺服系统中的累积误差，主要可以通过以下几种方式实现：

1. 实时校正：通过实时采集系统运行数据，对系统进行实时校正，以消除累积误差。
2. 数据融合：将多种传感器的数据融合，提高测量精度，减少误差。
3. 预测模型：建立预测模型，预测系统的未来状态，从而提前进行校正，减少累积误差。

六、案例分析与实验结果

以某数控机床为例，采用高精度算法后，该机床的运行精度得到了显著提高。
实验结果表明，采用高精度算法后，机床的累积误差降低了XX%，运动精度提高了XX%，能耗降低了XX%。

七、结论

高精度算法在伺服系统中具有广泛的应用前景。
通过实时校正、数据融合和预测模型等方式，高精度算法可以有效地消除伺服系统中的累积误差，提高系统性能。
未来，随着科技的不断发展，高精度算法将在更多的领域得到应用，为工业生产、机器人等领域的发展提供有力支持。

伺服电机和步进电机的区别图片伺服电机和步进电机的区别

关于伺服电机和步进电机的区别图片，伺服电机和步进电机的区别这个很多人还不知道，今天来为大家解答以上的问题，现在让我们一起来看看吧！1、伺服电机与步进电机的区别在定位系统中 , 最常用的电机不外乎是步进电机和伺服电机 , 其中 , 步进电机主要可分为 2相、5相、微步进系统 , 伺服电机则主要分为 DC伺服和AC伺服两种 .2相、5相和微步进系统主要是驱动器所表现出来解析度不同 , 2相步进系统电机每转最细可分为 400 格 , 五相则为 1000 格 , 微步进则可从 200 ~ (或以上)格 , 表现出来的特性以微步进最好 , 加减速时间较短 , 动态惯性较低 和 DC 伺服电机主要的分别为 DC伺服比AC伺服电机多了一个碳刷 , 会有维护上的问题 , 而 AC 伺服电机因没有碳刷 , 所以后续并不会有太大维护上的问题. 所以基本上来说 AC伺服系统是较DC伺服系统为优 , 但 DC 伺服系统主要的优势则是价位上比 AC 伺服系统较便宜. 而此两种系统的控制精度皆为相同.以下为伺服电机与步进电机的特征介绍：步进电机：●具保持力由于步进电机在激磁状态停止时，具有很大的保持力，因此即使不使用机械式刹车亦可以保持停止位置(具有激磁状态停止时，与电机电流成比例的保持力)。 2、在停电时步进电机不具有保持力，因此停电时若需有保持力，请使用附电磁刹车机种。 3、藉由电机的高精度加工，可实现步进电机高精度定位功能。 4、解析度是取决于电机的构造，一般的HYPRID型5相步进电机为1步级0.72°精度是取决于电机的加工精度而定，无负载时的停止精度误差为±3分(±0.05°)。 5、● 角度控制、速度控制简单步进电机为与输入的脉波成正比，一次以一步级角运转（0.72度）。 6、●高转矩，高响应性步进电机虽然体积小但在低速运转时皆可获得高转矩输出。 7、因此在加速性、响应性、频繁的起动及停止皆可发挥很大的威力。 8、●高分解能、高精度定位5相步进电机在全步级时0.72°(1回转500分割)，半步级时0.36°(1回转1000分割)。 9、停止定位精度为±3分(±0.05°)，所以并不会有角度累积误差。 10、●步进电机与AC感应或伺服电机等，有相当大的差异，并具有下列的特征:‧与输入脉波同期，以步级方式运转。 11、‧以开回路方式即可完成高精度定位。 12、‧起动、停止的响应性优越。 13、‧停止时不会有累积角度误差。 14、‧因为电机构造简单，所以保养容易。 15、‧要驱动步进电机必须要有控制器，只需向驱动器输入脉波即可简单的以开回路方式进行高精度定位控制。 16、伺服电机：●高信赖性（闭回路）AC伺服电机由电机与编码器、驱动器三部分构成，驱动器的作用是将输入脉波与编码器的位置、速度情报进行比较后来对驱动电流进行控制。 17、由于AC伺服电机可以透过编码器的位置、速度情报随时检出电机的运转状态，因此，即使是在电机停止时也会向控制器输出警示信号，所以能随时检出电机的异常情况。 18、●AC伺服电机的长处‧能获得定位结束信号。 19、‧发生过负载等异常情况时，因会输出警示信号，所以能在设备发生异常时报警。 20、‧因能依据负载状态来控制电流，所以效率高、电机发热程度低。 21、‧系在X轴运转完毕后再进行Y轴运转的驱动模式。 22、此种情况下，因能输出X轴运转完毕的信号(END)，所以非常方便。 23、‧假如X轴发生异常停止时，有可能会影响到其他机构。 24、但因为会输出通知异常情况的警示信号，所以非常方便。 25、●高速‧高转矩步进电机的特性为在低速领域时能输出大转矩，但在高速领域时则转矩会逐渐下降。 26、AC伺服电机与步进电机相比，即使在高速领域亦能获得稳定的高转矩。 27、所以，按照长行程进行高速移动时适合使用AC伺服电机。 28、●减速机型从与一般AC电机相同的分离型简易减速机到高强度、高精度的一体型减速机，一般备有种类丰富的减速机型伺服电机标准产品。 29、‧大惯性驱动‧体积大幅度缩小。

现代数字伺服系统及应用实验报告:数字万用电表的使用实验报告

《现代数字伺服系统及应用》 姓 名： 学 号： 专 业： 学 院： 指导教师： 2017年6月 现代数字伺服系统及应用实验报告 一、实验目的 通过实验深入理解伺服系统的系统结构及工作原理，掌握伺服系统的位置控制器设计与系统调试方法。 二、实验内容及结果 1. 系统理论分析 （1）永磁电动机 永磁同步电动机（PMSM ）是由电励磁三相同步电动机发展而来。 它用永磁体代替了电励磁系统，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷，而定子与电励磁三相同步电动机基本相同，所以称为永磁同步电动机。 （2）矢量控制 在永磁同步电动机的控制方法中，目前矢量控制方案是使用最广泛的。 矢量控制的基本思想是模拟直流电机的控制方法，将磁链与转矩通过坐标转换，进行解耦，形成以转子磁链定向的两相参考坐标系，这样就可以将交流电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统的静、动态性能。 矢量控制的优点是能精确地实现转速控制并具有良好的转矩响应。 但是矢量控制的前提是获得转子磁场的准确位置，通常情况下通过安装转子位置传感器来获得转子磁场的准确位置。 对永磁电动机的矢量控制方式通常分为两种，一种是电压控制（SVPWM ），另一种是电流滞环控制(HCC)。 本系统采用的是电流滞环控制。 电流滞环控制的目的是使三相定子电流严格跟踪给定电流信号。 为了获得平稳的转矩，定子各相电流应是互相平衡、随转子位置正弦变化的。 常规的电流滞环控制是将给定电流信号与实际检测的逆变器输出电流信号相比较，若实际电流值较大，调节逆变器开关状态使之减小；若实际电流值较小，调节逆变器开关状态使之增大。 在本系统中，位置信号指令与检测到的转子位置相比较，经过位置控制器的调整，输出速度指令信号，速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度调节器的调节，输出控制转矩的电流分量iq ，电流分量信号iq 经过坐标变换输出后，与电机实际电流分量iabc 比较，再经PWM 逆变器，输出三相电压，驱动电机工作。 2. 伺服系统实验 如图2.1为基于MA TLAB/SimPowerSystems的PMSM 电机模型搭建伺服系统（Matlab2014a ）； PI 控制器，图中第二个PID 控制器为速度环PI 控制器，根据电机实际速度及给定速度来确定电流转矩分量；PWM 模块采用电流滞环控制(如图2.2) ，使电机实际电流跟随给定电流变化，具体实现如图2.3；模块dq2abc 实现2r ／3s 变换，具体实现如图2.4，其中函数模块Fcn 、Fcnl 和Fcn2一起实现2r ／3s 变换；PMSM 模块为MA TLAB 提供了永磁同步电机模型，它的参数设置如图2.5。 图2.2 电流滞环控制模块 图2.3 PWM inverter 模块 图2.4 dq2abc实现2r ／3s 变换模块 3. 控制方式选定及仿真结果分析 图2.5 PMSM模块参数 三、结果分析 PID 控制器由比例单元P 、积分单元I 和微分单元D 组成。 通过Kp ，Ki 和Kd 三个参数的设定。 这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。 在本系统调试PID 控制器时，主要PI 控制器 通过试凑法将速度环和位置环的PI 参数进行整定。 首先确定速度环控制器PID 参数。 先确定下速度环控制器PID 参数，不再改动。 通过仿真，当位置环控制器的P 值较大时，无论怎么调节位置环的P 参数，总是无法同时满足3个输入信号的性能要求，当正弦信号满足要求时，阶跃输出信号总会有很大的振荡，导致系统超调量过大，系统不稳定。 积分作用I 较大时，阶跃信号的调节时间过大， 超调量也增大， 系统产生振荡。 在实际调试过程中，当出现稳态误差时，先调节参数P ，但是 P 不能过大，在1~3比较合适，再大阶跃输出信号就会完全不稳定。 确定好P 后，不再改动。 再慢慢调节积分参数I ，进一步消除误差。 通过多次试凑，确定了速度环的PI 参数为P=2.2，I=0.8，位置环的PI 参数为P=2.3，I=0.9。 仿真结果如下： （1）阶跃信号输入：幅值200 要求：调节时间 图3.1系统输入、输出曲线 图3.2系统误差曲线 从图3.1中可以看出，系统调节时间为0.1s ，超调量为0.095%，从图3.2可以看出，系统稳态误差约为0.17，均满足要求。 （2）斜坡信号输入：斜率100 要求：稳态误差 图3.3 系统输入、输出曲线 图3.4 系统误差曲线 最终系统稳态误差为0.16，满足要求。 （3）正弦信号输入：幅值60，频率2 rad/s 要求：稳态最大误差 图3.5系统输入、输出曲线 图3.6系统误差曲线 从图3.6可以看出，系统误差为0.68，当系统满足阶跃信号全部要求时，正弦信号的稳态误差总是大于0.5。 把位置环PID 控制器的P 参数调至3.5满足正弦信号稳态误差小于0.5，但是阶跃输出信号会产生严重的振荡。 四、延迟环节对系统的影响 在本系统中，将延迟时间增大至0.05ms 。 （1）阶跃信号： 图4.1 系统输入输出曲线 图4.2 系统误差曲线 （2）斜坡信号： 图4.3 系统输入、输出曲线 4.4 系统误差曲线 （3）正弦信号： 图4.5 系统输入、输出曲线 图4.6 系统误差曲线 当延迟环节取0.1ms 时 （1）阶跃信号: 图4.7 系统输入、输出曲线 图4.8系统误差曲线 （2）斜坡信号： 图4.9 系统输入、输出曲线 图4.10 系统误差曲线 （3）正弦信号： 图4.11 系统输入、输出曲线 图4.12 系统误差曲线 当去掉延迟环节后： （1） 阶跃信号： 图4.13 系统输入、输出曲线 图4.14 系统误差曲线 （2） 斜坡信号 图4.15 系统输入、输出曲线 图 4.16 系统误差曲线 （3） 正弦信号 图4.17 系统输入、输出曲线 图 4.18 系统误差曲线 从上面的图可以看出，当延迟环节的延迟时间增加到0.05ms 时，正弦和斜坡的影响不大，但是阶跃信号产生轻微的振荡。 但是当延迟环节的延迟时间增加到0.1ms 时，阶跃信号产生严重的振荡。 加入延迟环节后，会造成系统的不稳定，延迟时间越大，稳定性就越差。 五、控制器作用学习心得 PID 控制器由比例单元 P 、积分单元 I 和微分单元 D 组成。 通过Kp ， Ki 和Kd 三个参数的设定。 这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。 （1）比例作用P ：比例作用将加快系统的响应，减小误差。 它能快速影响系统的控制输出值，但仅靠比例系数的作用，系统不能很好地稳定在一个理想的数值，其结果是虽较能有效地克服扰动的影响，但有稳态误差出现。 过大的比例系数还会使系统出现较大的超调并 产生振荡，使稳定性变差。 （2）积分作用I ：积分作用是消除稳态误差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误 差修整，消除稳态误差。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统为有差系统。 为 了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。 积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti ， Ti 越小，积分作用就越强。 但是积分作用过大，也会引起系统振荡，超调量过大，调节时 间也会变大。 （3）微分作用D ：微分具有超前作用，对于具有滞后的控制系统，引入微分控制，在 微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有着显著效果，它可以使系统超 调 量减小，稳定性增加，动态误差减小。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 (即误差的变化率) 成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过 程中可能会出现振荡甚至 失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后的被控对象，具有抑制误差的作用，其变化 总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时， 抑制误差的作用就应该是零。 微分项能预测误差变化的趋势，从而做到提前使抑制误差的控 制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，改善了系统在调节过程中的动 态特性。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种单元相结合，组成PD 或PID 控制器。 参考文献 [1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社，2006 [2] 胡寿松. 自动控制原理（第四版）[M].科学出版社,2001. [3] 李伟光, 郭忺, 侯跃恩. 永磁同步电动机SVPWM 和电流滞环控制仿真分析[J]. 现代制造工程, 2014(5). [4] 廖金国, 花为, 程明, 等. 一种永磁同步电机变占空比电流滞环控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(18):4762-4770. [5] 逄玉俊, 柏松, 马向哲. 永磁同步电机的电流滞环控制研究[J]. 科技信息, 2008(30):444-44 10 [1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社，2006 [2] 胡寿松. 自动控制原理（第四版）[M].科学出版社,2001. [3] 李伟光, 郭忺, 侯跃恩. 永磁同步电动机SVPWM 和电流滞环控制仿真分析[J]. 现代制造工程, 2014(5). [4] 廖金国, 花为, 程明, 等. 一种永磁同步电机变占空比电流滞环控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(18):4762-4770. [5] 逄玉俊, 柏松, 马向哲. 永磁同步电机的电流滞环控制研究[J]. 科技信息, 2008(30):444-44 11

数控机床上的光栅尺是什么？

1. 光栅尺，一种利用光学原理工作的测量反馈装置，通常称为光栅尺位移传感器。 2. 该设备广泛应用于数控机床的闭环伺服系统中，主要用作直线位移或角位移的检测。 3. 光栅尺的测量输出信号为数字脉冲，具备较大的检测范围、高精度以及快速响应速度等特点。 4. 在数控机床操作中，光栅尺可用于检测刀具和工件的坐标，监控和追踪走刀误差，进而补偿运动误差。 5. 光栅尺根据制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅两种类型。 6. 光栅尺的输出信号为电信号。 当动尺移动一个栅距时，输出电信号变化一个周期，通过测量信号变化周期来计算相对位移。 7. 计数器对信号变化周期进行计数，再乘以光栅距，从而得出直线电机的位移距离。 8. 输出信号的相位角相差90度，其中一方为正方向，另一方为负方向。 Z信号用作校准，以消除累积误差。 9. 通过在A信号的上升沿和下降沿采集B信号，可以判断运动方向。 10. 当A信号的上升沿和下降沿比B信号提前1/4栅距，且在A信号下降沿采集的B信号为“1”时，表示正向运动；若A信号的上升沿和下降沿比B信号延迟1/4栅距，且在A信号下降沿采集的B信号为“0”时，表示反向运动。 11. 根据采集到的运动信号方向和A信号的变化周期数，使用计数器进行计数（正向或逆向），从而计算总位移。 参考资料来源：网络百科-光栅尺