精密仪器设计基础

1、第十章第十章 机械伺服系统设计机械伺服系统设计 伺服系统是用来精确地伺服系统是用来精确地跟随跟随或或复现复现某个某个 过程的反馈控制系统。过程的反馈控制系统。 在很多情况下，伺服系统专指被控制量在很多情况下，伺服系统专指被控制量 （系统的输出量）是机械（系统的输出量）是机械位移位移或或速度速度、 加速度加速度的反馈控制系统，的反馈控制系统， 其作用是使输其作用是使输 出的机械位移（或转角）准确地跟踪输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输 入的位移（或转角）。入的位移（或转角）。 10.1 概述概述 一、分类一、分类 1 1、按反馈划分、按反馈划分 开环伺服系统开环伺服系统 驱动电路驱动电路 步进

2、电动机步进电动机指令脉冲指令脉冲工工 作作 台台 精度取决于精密机械系统的精度精度取决于精密机械系统的精度 一、分类一、分类 闭环伺服系统闭环伺服系统 靠偏差进行控制靠偏差进行控制 一、分类一、分类 半闭环伺服系统半闭环伺服系统 一、分类一、分类 复合控制系统复合控制系统 一、分类一、分类 2 2、按输入量的特征划分、按输入量的特征划分 恒值控制系统：输入量是一个恒定值。恒值控制系统：输入量是一个恒定值。 程序控制系统：输入量的变化规律是已知和程序控制系统：输入量的变化规律是已知和 确定的，由特定的程序给出。确定的，由特定的程序给出。 随动系统：输入量的变化规律不确定。随动系统：输入量的变化规

3、律不确定。 一、分类一、分类 一、分类一、分类 一、分类一、分类 二、闭环伺服系统的组成二、闭环伺服系统的组成 给定元件：产生输入信号，如电位器给定元件：产生输入信号，如电位器 反馈元件：测量输出信号，如光栅、激光干涉仪反馈元件：测量输出信号，如光栅、激光干涉仪 比较元件：如电压比较器比较元件：如电压比较器 放大元件放大元件 执行元件执行元件 校正元件校正元件 给定给定 元件元件 比较比较 元件元件 放大放大 元件元件 执行执行 元件元件 被控被控 对象对象 反馈反馈 元件元件 校正校正 元件元件 三、设计要求及性能指标三、设计要求及性能指标 1 1、设计要求、设计要求 稳定性稳定性 稳定性：

4、指伺服系统在给定输入或外界干稳定性：指伺服系统在给定输入或外界干 扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到 新的或者恢复到原来的平衡状态。稳定性新的或者恢复到原来的平衡状态。稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。 三、设计要求及性能指标三、设计要求及性能指标 精确性：控制精度，以稳态误差来衡量精确性：控制精度，以稳态误差来衡量 稳态误差：指指令脉冲要求工作台的位移稳态误差：指指令脉冲要求工作台的位移 量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台 的实际位移量之间的符合程度。的实际位移量之间的符合程

5、度。 快速性：当系统的输出量与输入量之间产生快速性：当系统的输出量与输入量之间产生 偏差时，消除这种偏差的快慢程度。偏差时，消除这种偏差的快慢程度。 安全性：安全性： 三、设计要求及性能指标三、设计要求及性能指标 2 2、性能指标、性能指标 过渡过程和动态性能：控制系统从开始有输过渡过程和动态性能：控制系统从开始有输 入信号起到系统输出量达到稳定之前的响应入信号起到系统输出量达到稳定之前的响应 过程称为过渡过程。过渡过程表现为衰减、过程称为过渡过程。过渡过程表现为衰减、 发散或等幅振荡过程。发散或等幅振荡过程。 动态性能的时域指标：上升时间、调节时间动态性能的时域指标：上升时间、调节时间 、超

6、调量等、超调量等 动态性能的频域指标：带宽动态性能的频域指标：带宽 三、设计要求及性能指标三、设计要求及性能指标 稳态过程和稳态性能稳态过程和稳态性能 四、伺服系统设计四、伺服系统设计 1 1、设计要求分析，系统方案设计、设计要求分析，系统方案设计 控制方式的确定控制方式的确定 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环 控制；控制； 当系统精度要求较高或负载较大时，要采用闭环当系统精度要求较高或负载较大时，要采用闭环 或半闭环控制系统。或半闭环控制系统。 开环系统设计时，仅考虑满足精度方面的要求即开环系统设计时，仅考虑满足精度方面的要求即 可，并通过

7、合理的结构参数匹配，使系统具有尽可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽 可能好的动态响应特性。可能好的动态响应特性。 执行元件的选择执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速 范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积 、成本等多方面的要求。、成本等多方面的要求。 一般来讲，对于开环系统应优先选用步进电一般来讲，对于开环系统应优先选用步进电 动机。动机。 对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服 电动机、交流伺服电动机。电动机、交流伺服电动机。 传动机构方案的选择传动机构

8、方案的选择 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个传动机构是执行元件与执行机构之间的一个 连接装置，用来进行运动和力的变换与传递连接装置，用来进行运动和力的变换与传递 。 在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和 转矩为主，而执行机构则多为直线运动。转矩为主，而执行机构则多为直线运动。 用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构 主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。 控制系统方案的选择控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、电动机控控制系统方案的选择包括微型机、电动机控 制方式、驱动电路等的选择

9、。常用的微型机制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机 有单片机、单板机、工业控制微型机等，其有单片机、单板机、工业控制微型机等，其 中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制 指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统 的控制中得到了广泛的应用。的控制中得到了广泛的应用。 2 2、系统性能分析、系统性能分析 3 3、执行元件及传感器的选择、执行元件及传感器的选择 根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执 行元件及传感器的参数和型号。行元件及传感器的参数和型号。 4 4、机械系统设计、机械

10、系统设计 机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的 具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各 种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及 摩擦，尤其在涉及执行机构的导轨时要防止产摩擦，尤其在涉及执行机构的导轨时要防止产 生生“爬行爬行”现象。现象。 5 5、控制系统设计、控制系统设计 控制系统设计包括信号处理及放大电路、校控制系统设计包括信号处理及放大电路、校 正装置、伺服电机驱动电路等的详细设计，正装置、伺服电机驱动电路等的详细设计， 如果采用计算机数字控制，还应包括接口电如

11、果采用计算机数字控制，还应包括接口电 路及控制器算法软件的设计。路及控制器算法软件的设计。 控制系统设计中应注意各环节参数的匹配，控制系统设计中应注意各环节参数的匹配， 以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性 ，并满足精度要求。，并满足精度要求。 6 6、系统测试实验、系统测试实验 测试试验可在模型试验系统上进行，也测试试验可在模型试验系统上进行，也 可以在试制的样机上进行。通过测试实验，往可以在试制的样机上进行。通过测试实验，往 往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决 。 7 7、系统设计定案、系统设计定案 多次

12、反复得到满意的结果后，将设计方案多次反复得到满意的结果后，将设计方案 确定下来。然后整理设计图样及设计说明书等确定下来。然后整理设计图样及设计说明书等 技术文件准备投产。技术文件准备投产。 10.2 10.2 开环伺服系统设计开环伺服系统设计 一、步进电机：一、步进电机： 步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角 位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲 电源，所以也称为脉冲马达。电源，所以也称为脉冲马达。 步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地 转动。转动。 对步进电机施加一个电脉冲

13、信号时，步进电对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电 机就旋转一个固定的角度，叫做步距角。机就旋转一个固定的角度，叫做步距角。 特点：特点： 转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控 制制 构成廉价的开环系统构成廉价的开环系统 控制系统控制较简单控制系统控制较简单 1.1.工作原理工作原理 步进电动机的定子上有步进电动机的定子上有6 6 个齿，其上分别缠有个齿，其上分别缠有U U、 V V、W W三相绕组，构成三三相绕组，构成三 对磁极；转子上则均匀对磁极；转子上则均匀 分布着分布着4 4个齿。步进电动个齿。步进电动 机采用直流电源供电。机采用直流电源供电。

14、 当当U U、V V、W W三相绕组轮流三相绕组轮流 通电时，通过电磁力的通电时，通过电磁力的 吸引，步进电动机转子吸引，步进电动机转子 一步一步地旋转。一步一步地旋转。 W相通电V相通电 U相通电 逆时针旋转30 逆时针旋转 30 逆时针旋转30 1.1.工作原理工作原理 假设假设U U相绕组首先通电，相绕组首先通电， 则转子上、下两齿被磁则转子上、下两齿被磁 场吸住，转子就停留在场吸住，转子就停留在U U 相通电的位置上。然后相通电的位置上。然后U U 相断电，相断电，V V相通电，则磁相通电，则磁 极极U U的磁场消失，磁极的磁场消失，磁极V V 产生了磁场，磁极产生了磁场，磁极V V的

15、磁的磁 场把离它最近的另外两场把离它最近的另外两 齿吸引过去，停止在齿吸引过去，停止在V V相相 通电的位置上，这时转通电的位置上，这时转 子逆时针转了子逆时针转了3030。 W相通电V相通电 U相通电 逆时针旋转30 逆时针旋转 30 逆时针旋转30 1.1.工作原理工作原理 定子各相轮流通电一次，定子各相轮流通电一次， 转子转一个齿。转子转一个齿。 步进电动机绕组按步进电动机绕组按 UVWUVWUUVWUVWU 依次轮流通电，步进电动依次轮流通电，步进电动 机转子就一步步地按逆时机转子就一步步地按逆时 针方向旋转。针方向旋转。 步进电动机绕组每次通断步进电动机绕组每次通断 电使转子转过的角

16、度称之电使转子转过的角度称之 为为步距角步距角。上述分析中的。上述分析中的 步进电动机步距角为步进电动机步距角为3030 W相通电V相通电 U相通电 逆时针旋转30 逆时针旋转 30 逆时针旋转30 1.1.工作原理工作原理 对于一个真实的步进电对于一个真实的步进电 动机，为了减少每通电动机，为了减少每通电 一次的转角，在转子和一次的转角，在转子和 定子上开有很多定分的定子上开有很多定分的 小齿。小齿。 当当U U相定子小齿与转子小相定子小齿与转子小 齿对正时，齿对正时，V V相和相和W W相定相定 子上的齿则处于错开状子上的齿则处于错开状 态。态。 2.2.通电方式通电方式 三相单三拍：定子

17、按三相单三拍：定子按A AB BC CA A 顺序通电顺序通电 2.2.通电方式通电方式 三相双三拍：三相双三拍：A B A B B C B C C A C A A BA B 2.2.通电方式通电方式 三相六拍：三相六拍：A A A B A B B B B C B C C C C A C A C C 3.3.分类分类 4.4.性能参数性能参数 Z Z 360 Zkm 360 5.5.运行特性运行特性 sin max TT j 6.6.参数设计参数设计 脉冲当量脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工：步进电机每接受一个脉冲时，工 作台走过的位移（作台走过的位移（mm/pulsemm/pulse）

18、 i 电机电机 M 驱动器 指令脉 冲 i p 360 最高运行频率与速度关系最高运行频率与速度关系 maxmax fv 7.7.驱动方式驱动方式 单电压驱动单电压驱动 双电压驱动双电压驱动 恒流驱动恒流驱动 微步（细分）驱动微步（细分）驱动 二、误差分析与校正二、误差分析与校正 主要误差源主要误差源 步进电机的步距误差步进电机的步距误差 减速齿轮箱误差减速齿轮箱误差 滚珠丝杠、螺母副误差滚珠丝杠、螺母副误差 2.2.误差校正误差校正 硬件方式：硬件方式： 通过补偿电路，判断移动方向，当反向移动通过补偿电路，判断移动方向，当反向移动 时，发出补偿指令时，发出补偿指令 软件方式：软件方式： 建立

19、误差仿真数学模型，建立误差仿真数学模型， 工作指令工作指令+ +校正指令校正指令 一、直流电机一、直流电机 控制电枢绕组中的电流控制电枢绕组中的电流 大小和方向，就可以控大小和方向，就可以控 制电机的转速和方向，制电机的转速和方向， 输出一定的电磁转矩，输出一定的电磁转矩， 转速的大小通过转速传转速的大小通过转速传 感器（编码器）检测并感器（编码器）检测并 反馈。反馈。 10.3 闭环伺服系统设计闭环伺服系统设计 1.1.基本原理基本原理 电磁力定律：电磁力定律： 载流导体在磁场中，受电磁力作用；载流导体在磁场中，受电磁力作用； （左手定理）（左手定理） 电磁感应定律：电磁感应定律： 导体切割

20、磁力线，产生感应电动势；导体切割磁力线，产生感应电动势； （右手定理）（右手定理） 电与磁的相互作用，实现机电与磁的相互作用，实现机电能量的电能量的 转换转换 2.2.基本结构基本结构 定子定子产生直流磁场产生直流磁场； 转子转子通过转子电流与定子磁场作用产生电通过转子电流与定子磁场作用产生电 磁转矩，直流电机的转子常被称电枢磁转矩，直流电机的转子常被称电枢 。 等效电路 + + 图 2-1 U R RB IB UB I 3.3.机械特性机械特性 直流电机的基本作用方程直流电机的基本作用方程 转矩方程式：转矩方程式： 感应电势方程式：感应电势方程式： 电枢电路电压方程式：电枢电路电压方程式： ICM m nCE e IREU M 的方向的方向按左手定律确定按左手定律确定 E 的方向的方向按右手定律确定按右手定律确定 机械特性基本方程机械特性基本方程 电流表达式电流表达式： 力矩表达式力矩表达式 I C R C U n ee M CC R C U n mee 2 机械特性曲线机械特性曲线 当