现代伺服系统设计ch03n

1、CHp3. 伺服系统稳态设计伺服系统稳态设计 1、概述、概述 2、伺服系统典型负载分析和计算、伺服系统典型负载分析和计算 3、伺服系统控制方案选择、伺服系统控制方案选择 4、伺服电机选择、伺服电机选择 5、伺服检测装置的选择、伺服检测装置的选择 6、放大装置选择、放大装置选择 一、伺服系统实例 雷达-自动跟踪 火炮随动系统 3.1 3.1 概概 述述 机器人-动作控制 数控机床-定位和 加工轨迹 二、 伺服系统的基本要求及特征 1.伺服系统的基本要求 （1）稳定型好）稳定型好 （2）精度高）精度高 （3）动态响应快）动态响应快 （4）抗扰动能力强）抗扰动能力强 2.伺服系统的基本特征 (1)

2、必须具备高精度高精度的传感器，能准确地给出 输出量的电信号； (2)功率放大器以及控制系统都必须是可逆的可逆的； (3)足够大的调速范围及足够强的低速带载性低速带载性 能力能力； (4)快速的响应能力快速的响应能力和较强的抗干扰能力较强的抗干扰能力。 三、 电动伺服系统的组成 由伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器 4大部分组成 除了位置传感器位置传感器外，可能还需要电压、电流和 速度传感器。 SSI编码器反馈编码器反馈 SSI编码器反馈编码器反馈 控制指令控制指令 PMAC 驱动器驱动器 驱动器驱动器 交流伺服电机交流伺服电机 直驱电机直驱电机 减速机减速

3、机 四、电动伺服系统控制方法 伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。它实 际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。 开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制， 而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱动滚珠丝杆 副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调整维护方便、工 作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传动链的误差间隙、导 轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去， 使得定位精度较低。此外，它的速度低，低速平稳性差，效率也较低。 电机电机 机械执行部件 A相、B相 C相、 f、n CNC 插补指令 脉冲

4、频率f 脉冲个数n 换算 脉冲环 形分配 变换 功率 放大 如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变 化，则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统相比，半 闭环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号来自于系统中 某一个非最终输出的环节，使得系统无法对这一环节到最终 控制目标之间的误差自动进行补偿。 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元速度控制单元 + + - 电机 机械执行部件 CNC插 补 指令 实际位 置反馈 实际速 度反馈 在前向控制通道的基础上在加上直接检测最 终输出的反馈控制通道就形成了闭环控制的 伺服系统。检测元件通常为直线感应同步器 和光栅

5、等直线行位检元件，安装在最终的移 动目标工作台上。 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元速度控制单元 + + - 电机 机械执行部件 CNC插 补 指令 实际位 置反馈 实际速 度反馈 五、伺服系统稳态设计的内容五、伺服系统稳态设计的内容 对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传 动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。 六、伺服系统稳态设计目的六、伺服系统稳态设计目的 确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系确定系统

6、的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系 统的控制能力。统的控制能力。 动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包 括满足动态误差、稳定性及快速性要求。括满足动态误差、稳定性及快速性要求。 伺服系统稳态设计伺服系统稳态设计特点特点 稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。 七、工程定量计算的计量单位七、工程定量计算的计量单位 我国计量管理规定一律采用国际单位制我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭。国内有些产品铭 牌数据仍沿用工程单位制。在计算时

7、应统一换算成国际单位制。牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。 名名 称称符号符号工程单位工程单位国际单位国际单位换算关系换算关系 转速角速度转速角速度n r/minrad/s1 r/min = /30 rad/s 飞轮转矩飞轮转矩GD2 kgm2 gcm2 Nm2 1 kgm2 = 9.8 Nm2 1 gcm2 = 9.810-7 Nm 转动惯量转动惯量J kgms2 gcms2 kgm2 1 kgms2 = 9.8 kgm2 1gcms2=9.810-5kgm2 力力FkgN1 kg = 9.8 N 力力 矩矩M或或T kgm gcm Nm 1 kgm = 9.8 Nm

8、1 gcm = 9.810-5 Nm 功功(能能)W kgm Wh J或或Nm 1 kgm = 9.8 J 1 Wh = 3600 J 功功 率率P kgm/s hP W或或J/s 1 kgm/s = 9.8 W 1 hP = 735.5 W 3.2 3.2 伺服系统典型负载分析和计算伺服系统典型负载分析和计算 明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学特明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学特 性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。 掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对象掌握了一般性研究方法后，需对负载作

9、定量分析，根据对象 的实际运动规律来建立负载和干扰模型。的实际运动规律来建立负载和干扰模型。 随动系统通过其控制的随动系统通过其控制的动力机构（执行元件为电机或液压马动力机构（执行元件为电机或液压马 达）来带动工作机构（被控对象）完成预定的运动达）来带动工作机构（被控对象）完成预定的运动。 被控对象在运动中的动力要求，对控制系统而言即负载特性被控对象在运动中的动力要求，对控制系统而言即负载特性， 负载特性中的受力对控制系统而言，即运动中所受的阻力。负载特性中的受力对控制系统而言，即运动中所受的阻力。 动力机构所得到的动力机构所得到的系统输出特性与负载特性系统输出特性与负载特性有一个匹配问题。有

10、一个匹配问题。 也就是说动力机构的也就是说动力机构的输出能力应大于或等于负载输出能力应大于或等于负载的要求。（即负的要求。（即负 载特性）。载特性）。 一、系统典型负载分析一、系统典型负载分析 随动系统和调速系统一般来说都是由随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机执行电动机 (或液压、气动马达或液压、气动马达)带动被控对象做机械运动带动被控对象做机械运动。其。其控控 制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大。 被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳 态和动态性能。系统常见的态和动态性能

11、。系统常见的负载类型有：惯性负载、阻尼负载、负载类型有：惯性负载、阻尼负载、 弹性负载、干扰负载弹性负载、干扰负载(包括摩擦负载、常值力、重力负载）以及包括摩擦负载、常值力、重力负载）以及 流体动力负载流体动力负载等，其中等，其中惯性负载、摩擦负载惯性负载、摩擦负载几乎任一系统均有。几乎任一系统均有。 1.摩擦负载摩擦负载 在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面 之间都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。之间都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。 在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数在工程设计中，多采取实测的办

12、法，或采用手册提供的数 据做近似地估算。据做近似地估算。 从接触表面的从接触表面的相对运动形式相对运动形式看，有看，有滑动摩擦与滚滑动摩擦与滚 动摩擦动摩擦。在条件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩。在条件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩 擦力小。擦力小。 以接触表面之间的以接触表面之间的润滑条件润滑条件来看，来看，有干摩擦、粘有干摩擦、粘 性摩擦性摩擦(或称湿摩擦或称湿摩擦)和介于两者之间的边界摩擦和介于两者之间的边界摩擦(俗称俗称 半干摩擦半干摩擦)。在条件相同情况下，干摩擦最大，粘性。在条件相同情况下，干摩擦最大，粘性 摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。 摩擦

13、力摩擦力Fc = fN。 摩擦系数摩擦系数f与法向压力、接触表面特性、粗糙度、与法向压力、接触表面特性、粗糙度、 温度、滑动速度、接触时间温度、滑动速度、接触时间等均有关。等均有关。 输出轴上承受的摩擦力矩是由系统整个机械传动输出轴上承受的摩擦力矩是由系统整个机械传动 各部分的摩擦作用综合的结果。以旋转运动为例各部分的摩擦作用综合的结果。以旋转运动为例: 静摩擦力矩最大，随着输出角速度静摩擦力矩最大，随着输出角速度的增加的增加(0 1)时，时， 摩擦力矩又略有增加或保持不变。摩擦负载对系统的工作摩擦力矩又略有增加或保持不变。摩擦负载对系统的工作 品质影响很大。品质影响很大。 动态分析计算时，则

14、将摩擦负载特性近似为线性关系。动态分析计算时，则将摩擦负载特性近似为线性关系。 对随动系统而言，对随动系统而言，摩擦负载影响系统的控制精度摩擦负载影响系统的控制精度。当。当 要求低速跟踪时，由于摩擦负载在低速区有要求低速跟踪时，由于摩擦负载在低速区有dMc/d1, 系统对于扰系统对于扰 动动N(s) 比没有反馈时要差。因此，比没有反馈时要差。因此，单回路控制系统难于抑制干单回路控制系统难于抑制干 扰作用的影响扰作用的影响。 在单回路系统中，如果系统的指标要求较高，系统的在单回路系统中，如果系统的指标要求较高，系统的增益应增益应 当较大当较大，则系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结，则

15、系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结 构。构。 单回路控制系统只适用于被控对象比较简单。性能指示要求单回路控制系统只适用于被控对象比较简单。性能指示要求 不很高的情况。不很高的情况。 在在要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路结构。结构。 双回路控制系统对输入和干扰的传递函数分别为双回路控制系统对输入和干扰的传递函数分别为 G1(s)Gc1(s)G2(s) r c _ n Gc2(s) + + 可以选择串联校正装置可以选择串联校正装置Gc1(s)和并联校正装置和并联校正装置Gc2(s)来满足对来满足对 R(s)和和N(s)的指标要求。

16、由于有了局部反馈，可以充分抑制的指标要求。由于有了局部反馈，可以充分抑制N(s) 的干扰作用，而且当部件的干扰作用，而且当部件G2(s)的参数变化很大时，局部闭环可的参数变化很大时，局部闭环可 以削弱它的影响。一般以削弱它的影响。一般局部闭环是引入速度反馈局部闭环是引入速度反馈。它还可改善。它还可改善 系统的低速性能和动态品质。系统的低速性能和动态品质。 选择局部闭环的原则如下：选择局部闭环的原则如下：一方面要包围干扰作用点及参数一方面要包围干扰作用点及参数 变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高(一般不高一般不高 于三阶于三阶)。 121

17、 2112 2 2112 ( )( )( )( ) ( )1( )( )( )( ) ( )( ) ( )1( )( )( )( ) c cc cc Gs Gs GsCs R sGsGs GsGs GsCs NsGsGs GsGs 3、复合控制、复合控制 反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参 数发生变化时，才能形成偏差，从而才有控制作用。复合控制数发生变化时，才能形成偏差，从而才有控制作用。复合控制 则是在偏差出现以前，就产生控制作用，属于开环控制方式。则是在偏差出现以前，就产生控制作用，属于开环控制方式。 前馈控制又叫顺馈控

18、制或开环补偿。引入前馈控制的目的之前馈控制又叫顺馈控制或开环补偿。引入前馈控制的目的之 一是补偿系统在跟踪过程中产生的一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差，加速度误差速度误差，加速度误差等。等。 补偿控制是对外界干扰进行补偿。当外界干扰可量测时，通补偿控制是对外界干扰进行补偿。当外界干扰可量测时，通 过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响。过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响。 对干扰实现了完全的不变性。对干扰实现了完全的不变性。 G1(s)G2(s)G3(s) rc _ G4(s) + G5(s) n 344 3 1 ( )( )( )( ),( ) ( )

19、N s G s G sN sG s G s 实现：也即： 二、选择方案的注意事项二、选择方案的注意事项 选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。针选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。针 对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。 军用伺服系统：工作品质、可靠性和灵活性；军用伺服系统：工作品质、可靠性和灵活性； 民用伺服系统：长期运行的经济性；民用伺服系统：长期运行的经济性； 系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，对精度的要求系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，对精度的要求 高时，可以设计二阶无差度系统或者采用复合控制系统。

20、高时，可以设计二阶无差度系统或者采用复合控制系统。 负载调速范围很宽时，一般选无槽电动机。高性能系统中，负载调速范围很宽时，一般选无槽电动机。高性能系统中， 一般选大惯量宽调速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。一般选大惯量宽调速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。 考虑电磁兼容性要求考虑电磁兼容性要求。 选择方案应根据系统的主要要求，初步拟定方案，进行可行选择方案应根据系统的主要要求，初步拟定方案，进行可行 性分析、试验，进一步补充和完善。有时需要构思几个方案进行性分析、试验，进一步补充和完善。有时需要构思几个方案进行 对比、优化，方案确定后便可按照设计步骤逐项进行，并在试验对比、优化，方案确定

21、后便可按照设计步骤逐项进行，并在试验 中作局部修改。中作局部修改。 3.4 3.4 执行电机的选择执行电机的选择 一、选择执行电机的基本要求一、选择执行电机的基本要求 伺服系统的执行元件，可采用电动机、液压泵和液压马达、伺服系统的执行元件，可采用电动机、液压泵和液压马达、 气动设备、电磁离合器等。气动设备、电磁离合器等。 对执行电机的要求如下：对执行电机的要求如下： (1)满足负载运动的要求（提供足够的力矩和功率）满足负载运动的要求（提供足够的力矩和功率） (2) 正反转，起停，保证系统的快速运动正反转，起停，保证系统的快速运动 (3) 调速范围调速范围 (4) 功率消耗、尺寸要求功率消耗、尺

22、寸要求 确定电机类型、额定输入输出参数确定电机类型、额定输入输出参数 额定电压额定电压UR、额定电流、额定电流IR、额定功率、额定功率PR、额定转速、额定转速nR 控制方式控制方式 电机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分电机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分 配，估算传动装置的转动惯量和传动效率。配，估算传动装置的转动惯量和传动效率。 二、伺服电动机的类型、伺服电动机的类型 直流伺服电动机、低速大扭矩宽调速电机、两相异步电机、直流伺服电动机、低速大扭矩宽调速电机、两相异步电机、 三相异步电机、同步电机、滑差电机、力矩电机和步进电机。三相异步电机、同步电机、滑差电机、

23、力矩电机和步进电机。 1.直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机按励磁方式分：他激、串激、并激直流伺服电动机按励磁方式分：他激、串激、并激 。控制。控制 方式分电枢控制和磁场控制两大类。方式分电枢控制和磁场控制两大类。 电枢控制电枢控制易获得较平直的机械特性，有较宽的调速范围。功易获得较平直的机械特性，有较宽的调速范围。功 率范围几百瓦至几十千瓦。率范围几百瓦至几十千瓦。 n M U1 U2 U3 MR 磁场控制磁场控制分电枢电压保持不变和电枢电流保持不变两种。分电枢电压保持不变和电枢电流保持不变两种。 电枢电压为常值，功率在几百瓦电机，具有弱磁电枢电压为常值，功率在几百瓦电机，具有弱磁

24、升升速特性。在速特性。在 几十瓦以内，且负载力矩几十瓦以内，且负载力矩MR较大，负载特性处于机械特性汇交点较大，负载特性处于机械特性汇交点 的右边，可以实现弱磁的右边，可以实现弱磁降降速，激磁电流速，激磁电流IR近似与转速成正比，可近似与转速成正比，可 用于可逆连续调速场合。调速范围和调节特性的线性度均远不如用于可逆连续调速场合。调速范围和调节特性的线性度均远不如 电枢控制。电枢控制。 电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至十几瓦的小功电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至十几瓦的小功 率电机，只有加较深的速度负反馈系统才可获得稳定的转速。在率电机，只有加较深的速度负反馈系统才可获得稳

25、定的转速。在 只有输出力矩只有输出力矩(转速可以为零转速可以为零)的场合比较适用的场合比较适用 。 n M n MMRMR 1 1 2 2 3 123 直流他激伺服电动机的转矩直流他激伺服电动机的转矩惯量比是很小的，已不能适应惯量比是很小的，已不能适应 现代伺服控制技术要求现代伺服控制技术要求. 两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机 (1)小惯量无槽电枢直流伺服电动机小惯量无槽电枢直流伺服电动机 无槽电枢直流伺服电动机又称表面绕组电枢直流伺服电动无槽电枢直流伺服电动机又称表面绕组电枢直流伺服电动 机。结构不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组与铁心成机。结

26、构不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组与铁心成 为一个坚实的整体，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小为一个坚实的整体，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小 了电枢直径，减小了转子的转动惯量。了电枢直径，减小了转子的转动惯量。换向性能改善，过载能力换向性能改善，过载能力 加强。改善低速平稳性、扩大了调速范围。加强。改善低速平稳性、扩大了调速范围。 具有以下优点：具有以下优点： 转子转动惯量小，普通电机转子转动惯量小，普通电机1/10，电磁时间常数小，反应快，电磁时间常数小，反应快 转矩转矩惯量比大，过载能力强，最大转矩比额定转矩大惯量比大，过载能力强，最大转矩比额定转矩大10倍倍 低速

27、性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达低速性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达 数千比一。数千比一。 具有以下缺点：具有以下缺点： 转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器 气隙大，安匝数多，效率低。惯量小、热容量较小，过载气隙大，安匝数多，效率低。惯量小、热容量较小，过载 时间不能太长。时间不能太长。 由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总 惯量中较大成份。负载转惯量发生变化时，影响系统的动态性惯量中较大成份。负载转惯量发生变化时，影响系统的动态性 能。惯量匹配

28、问题。能。惯量匹配问题。 无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动 机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中，机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中， 如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算 机外围设备以及数控机床等方面都有应用实例。机外围设备以及数控机床等方面都有应用实例。 (2)空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机 空心杯电枢直流伺服电动机是一种转动惯量更小的直流伺服电空心杯电枢直流伺服电动机是一种转动惯量更小的直流伺服电 动机，为动机，为“超低惯量伺服电

29、动机超低惯量伺服电动机”。 低转动惯量，起动时间常数可达低转动惯量，起动时间常数可达1ms以下。转矩以下。转矩转动惯量比转动惯量比 很大，角加速度可达很大，角加速度可达106rad/s2。 灵敏度高，快速性好，速度调节方便，始动电压在灵敏度高，快速性好，速度调节方便，始动电压在100mV以下以下 损耗小、效率高。效率可达损耗小、效率高。效率可达80%或更高。或更高。 绕组均匀分布，无齿槽效应，转矩波动小，低速平稳，噪声小绕组均匀分布，无齿槽效应，转矩波动小，低速平稳，噪声小 绕组的散然条件好，其电流密度可取到绕组的散然条件好，其电流密度可取到30A/mm 。 。 转子无铁心，电枢电感很小，换向

30、性能很好，提高使用寿命转子无铁心，电枢电感很小，换向性能很好，提高使用寿命 空心杯形电枢直流伺服电动机输出功率从零点几瓦到几千瓦，空心杯形电枢直流伺服电动机输出功率从零点几瓦到几千瓦， 多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、 各种录单机、各种录单机、X-Y函数记录仪、数控机床等机电一化设备中。函数记录仪、数控机床等机电一化设备中。 2.低速大扭矩宽调速电动机低速大扭矩宽调速电动机 低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的 基础上发展起来的一种新型电动机。

31、相对于前面的小惯量电动机基础上发展起来的一种新型电动机。相对于前面的小惯量电动机 而言，大扭矩宽调速电动机具有下列特点：而言，大扭矩宽调速电动机具有下列特点： 高转矩高转矩转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应 高热容量，使电机在自然冷却全封闭条件下，仍能长时间过载高热容量，使电机在自然冷却全封闭条件下，仍能长时间过载 电机具有高转矩和低速特性使得它可与对象直接耦合电机具有高转矩和低速特性使得它可与对象直接耦合 电动机在大的加速度和过载情况下，有良好的换向。电动机在大的加速度和过载情况下，有良好的换向。 电动机具有足够的机械强度，保证有长的寿命

32、和高的可靠性。电动机具有足够的机械强度，保证有长的寿命和高的可靠性。 采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速 大转矩时能承受最大峰值转矩。大转矩时能承受最大峰值转矩。 电动机内安装有高精度和高可靠性的反馈元件电动机内安装有高精度和高可靠性的反馈元件脉冲编码器脉冲编码器 或多极旋转变压器和低纹波测速发电机。或多极旋转变压器和低纹波测速发电机。 3.两相异步电动机两相异步电动机 两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统 中被广泛应用。控制方式分幅值控制和相位控制。中

33、被广泛应用。控制方式分幅值控制和相位控制。 两相异步电动机具有较宽的调速范围，本身摩擦力矩小，比两相异步电动机具有较宽的调速范围，本身摩擦力矩小，比 较灵敏。具有杯型转子的两相异步机转动惯量小，因而快速较灵敏。具有杯型转子的两相异步机转动惯量小，因而快速 响应特性好，常见于仪表随动系统中。响应特性好，常见于仪表随动系统中。 4.三相异步电动机三相异步电动机 三相异步电动机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、三相异步电动机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、 串级调速、脉冲调速等。变频调速可获得比较平直的机械特串级调速、脉冲调速等。变频调速可获得比较平直的机械特 性，调速范围比较宽但控制

34、线路复杂。该调速方法目前已得性，调速范围比较宽但控制线路复杂。该调速方法目前已得 到广泛应用。工业中传统使用的是利用可控硅实现变压调速到广泛应用。工业中传统使用的是利用可控硅实现变压调速 和串级调速，它只适用于线绕式转子的异步电动机。变压调和串级调速，它只适用于线绕式转子的异步电动机。变压调 速和串级调速均在单向调速时采用，低速性能差且调速范围速和串级调速均在单向调速时采用，低速性能差且调速范围 不宽。不宽。 与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻、与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻、 价格便宜、维护简单。价格便宜、维护简单。 5.滑差电机滑差电机(亦称转差离合

35、器亦称转差离合器) 滑差电机的主动部分由原动机带动作单向等速运转，用直流控滑差电机的主动部分由原动机带动作单向等速运转，用直流控 制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部 分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。其机械特性较分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。其机械特性较 软，调速范围不大，低速性能较差，但控制线路简单。软，调速范围不大，低速性能较差，但控制线路简单。 6.步进电机步进电机 按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。其中反应式结构简单，按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。其中反应式结构简单， 用得较为普遍。目

36、前工业上多用于小功率场合，步进电机特别用得较为普遍。目前工业上多用于小功率场合，步进电机特别 适合于增量控制，在机床进刀系统中广泛采用。适合于增量控制，在机床进刀系统中广泛采用。 7.力矩电机力矩电机 力矩电机分直流和交流两种。它在原理上与他激直流电机和两力矩电机分直流和交流两种。它在原理上与他激直流电机和两 相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适合于相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适合于 低速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此低速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此 它可以直接与控制对象相联而不需减速装置。它可以直接与控制对象相联而不

37、需减速装置。 8.直流无刷电动机直流无刷电动机 直流电动机的优点是机械特性和调节特性的线性度好，堵转转直流电动机的优点是机械特性和调节特性的线性度好，堵转转 矩大矩大(力矩电机力矩电机)，控制方法简单，其缺点是有换向器和电刷。，控制方法简单，其缺点是有换向器和电刷。 两相伺服电动机的优点是没有换向器和电刷，缺点是机械特性两相伺服电动机的优点是没有换向器和电刷，缺点是机械特性 和调节特性具有严重的非线性，转矩小，效率低。和调节特性具有严重的非线性，转矩小，效率低。 两者的结合，在现今已得以实现。两者的结合，在现今已得以实现。 这种电动机用电子换向开关电路和位置传感器代替电刷和换向这种电动机用电子

38、换向开关电路和位置传感器代替电刷和换向 器，这使直流无刷电动机既具有直流电动机的机械特性，调节特器，这使直流无刷电动机既具有直流电动机的机械特性，调节特 性，又具有交流电动机的维护方便，运行可靠、没有电磁干扰等性，又具有交流电动机的维护方便，运行可靠、没有电磁干扰等 优点。优点。 缺点是：结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转缺点是：结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转 矩波动大，低速时转速的均匀性差。控制用无刷直流电动机包括矩波动大，低速时转速的均匀性差。控制用无刷直流电动机包括 无刷直流伺服电动机和无刷直流力矩电动机。无刷直流伺服电动机和无刷直流力矩电动机。 三、现阶段的

39、伺服电动机三、现阶段的伺服电动机 伺服电机（servo motor ）:是指在伺服系统中控制机械 元件运转的发动机。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将 电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。 伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应。 且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特 性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位 移或角速度输出。 伺服电机：直流和交流伺服电动机两大类。 伺服主要靠脉冲来定位。伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转 1个脉冲对应的角度，从而实现位移，伺服电机本身具备发出 脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应 数量的脉冲，这样，和伺服电机

40、接受的脉冲形成了呼应，或 者叫闭环。 直流伺服电机：有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制 容易，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有 要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量 小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其 电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维 护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用 于各种环境。 交流伺服电机是无刷电机：分为同步和异步电机。 目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以 做到很大的功率。大惯量，最高转动速度

41、低，且随着功率增 大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电 形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的 编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行 比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器 的精度（线数）。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺 服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是 梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 从上世纪80年代，伺服电机开始转向交流伺服控制。 高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多 采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统

42、。典型生产厂家如德国西门子、 美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，有推出D、R、 M、F、S、H、C、G 八个系列（功率范围为0.056kW）；D系列适用 于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.252.8N.m），R系列适 用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.0160.16N.m）。 日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个 规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动 惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。 ：三菱电动机（HC-KFS

43、、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系 列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系 列）、立石电机（S系列） 德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机 共有7个机座号92个规格。 德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标 准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机 与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配 套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。 德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD

44、系列（17个规格）和稀土 永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控 制器。 美国Gettys曾一度作为Gould 电子公司一个分部（Motion Control Division），生产M600系列的交流伺服电动机和A600 系列的伺服驱动器。 后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。 美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流 伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30 个规格。 爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG

45、，以生 产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产 BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电 动机和八种控制器。 法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列 （短型）交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。 伺服电机和其他电机（如步进电机）相比到底有什么优点： 1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问 题； 2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到20003000转； 3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载 波动和要求快速起动的场合特别

46、适用； 4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行 现象。适用于有高速响应要求的场合； 5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内； 6、舒适性：发热和噪音明显降低。 平常看到的那种普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然 后停下。而伺服电机和步进电机是说停就停，说走就走，反应极快。但步 进电机存在失步现象。 直流伺服电机的优点直流伺服电机的优点 调速性好，单位重量和体积下，输出功率最高，大于交流电机，更远远超 过步进电机。多级结构的力矩波动小。 直流无刷、有刷伺服电机特点比较直流无刷、有刷伺服电机特点比较 无刷的：转动惯量小、启动电压低、空

47、载电流小； 非接触式换向系统， 大大提高电机转速，最高转速高达100 000rpm；无刷伺服电机在执行伺 服控制时，无须编码器也可实现速度、位置、扭矩等的控制； 不存在电 刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点。 有刷的：有刷的：1.体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽 ；2.低速力 矩大, 波动小，运行平稳 ；3.低噪音,高效率；4.后端编码器反馈（选配） 构成直流伺服；5.变压范围大，频率可调。 伺服电机与步进电机的性能比较伺服电机与步进电机的性能比较 1.控制精度不同控制精度不同 ：步进电机稍差，例如三洋提供的步距最小的达0.036 ；伺服 电机精度很高

48、，例如三洋标准的自带2000线的伺服电机经4倍频后，精度可达 360/8000=0.045；若采用17位编码器，可达360/131072=0.0027466。 2.低频特性不同：低频特性不同：步进电机步进电机在低速时易出现低频振动现象，一般认为振动频率为电 机空载起跳频率的一半。这是由步进电机的工作原理所决定的。当步进电机工作 在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器， 或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会 出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且 系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测

49、出机械的共振点，便于系统调整。 3.矩频特性不同：矩频特性不同：步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧 下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机交流伺服电机为恒力矩输出， 即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在 额定转速以上为恒功率输出。 4.过载能力不同：过载能力不同：步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能 力。 5.运行性能不同：运行性能不同：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢 步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度， 应处理好升、降速问题

50、。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编 码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢 步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6.速度响应性能不同速度响应性能不同 ：步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好。 交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步 进电机来做执行电动机。 伺服电动机与单相异步电动机比较伺服电动机与单相异步电动机比较 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比 后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著

51、特点： 1、起动转矩大：由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显 的区别。它可使临界转差率S01，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于 线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动， 即具有起动快、灵敏度高的特点。 2、运行范围较广。 3.无自转现象：正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当 伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两 个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1S1、T2 S2曲线）以及合成转矩特性（TS曲线） 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率

52、为50Hz，电压有36V、 110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多 种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电 阻大，损耗大，效率低 所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适 当的控制电机。 四、伺服电动机的选择、伺服电动机的选择 1、基本依据基本依据 （1）典型负载）典型负载 干摩擦力矩干摩擦力矩 Mc= Mc sign (Nm) 惯性力矩惯性力矩 ML=J J=J(d=J(d/dt) /dt) (Nm) 粘性摩擦力矩粘性摩擦力矩 M = 2N (Nm) 重力力矩重力力矩 M

53、 G = GL (Nm) 弹性力矩弹性力矩 M K = K (Nm) 风阻力矩风阻力矩 Mf = f (Nm) （2）描述与定量分析）描述与定量分析 典型负载与其运动参数（典型负载与其运动参数（ ）有关，若对象运动有规）有关，若对象运动有规 律，则可用简单数学形式来描述；律，则可用简单数学形式来描述； 多数被控对象的运动形态是随机的，工程采用近似方法，选多数被控对象的运动形态是随机的，工程采用近似方法，选 取有代表性的工况作定量分析；取有代表性的工况作定量分析； 2 长期运行电机发热状态长期运行电机发热状态 短时超载短时超载 系统极限运动的承载能力系统极限运动的承载能力 根据动态性能要求检验电

54、机的响应能力根据动态性能要求检验电机的响应能力 被控对象运动与电机运动是同时进行的，既要克服对象的负被控对象运动与电机运动是同时进行的，既要克服对象的负 载，也要克服电机自身的负载。载，也要克服电机自身的负载。 （3）铭牌定量计算方法）铭牌定量计算方法 产品单位要用国际单位统一。产品单位要用国际单位统一。 2. 电机基本参数计算电机基本参数计算 a)力矩电机力矩电机 产品参数，以产品参数，以LY系列永磁力矩电机目录为例系列永磁力矩电机目录为例 输出参数：输出参数：峰值堵转力矩峰值堵转力矩Mmbl、最大空载转速、最大空载转速nm0(对应对应Um的实的实 际空载转速际空载转速)、连续堵转力矩、连续

55、堵转力矩Mcbl； 输入参数：输入参数：峰值堵转电流峰值堵转电流Imbl、峰值堵转电压、峰值堵转电压Um、连续堵转电流、连续堵转电流 Icbl和电压和电压Uc； 电机参数：电机参数：电势系数电势系数Ce、转子转动惯量、转子转动惯量Jr、电磁时间常数、电磁时间常数Ti 计算公式计算公式 0 00 0 () 9 .5 5 m i e m b l r cim i m a m b l ee me U n C M Mnn n U R I KC KK 理 想 空 载 转 速 自 摩 擦 转 矩 电 枢 电 阻 电 机 反 电 势 常 数 电 磁 转 矩 常 数 n M 0i n mbl M cbl M 0

56、 n m U c U b)直流伺服电机直流伺服电机 输出参数：输出参数：额定转矩额定转矩MR、额定转速、额定转速nR、额定功率、额定功率PR； 输入参数：输入参数：电枢电流电枢电流IR、电枢电压、电枢电压UR、激磁电流、激磁电流If和电压和电压Uf； 电机参数：电机参数：电枢转动惯量电枢转动惯量Jr、或转子飞轮转矩、或转子飞轮转矩 计算公式计算公式 2 GD 2 2 : 2 3 .8 2 : 9 .5 5 () 9 .5 5 4 R RRR a R ap pRR RRa e R me RR R RR r rcmRR UIP R I U Ln nnI UIR K n KK PP M n G D

57、J MKIM 电 枢 电 阻 电 枢 电 感，极 对 数 电 势 常 数 ： 电 磁 转 矩 常 数 额 定 转 矩 ： 转 动 惯 量 : 自 身 摩 擦 力 矩 ： 3. 多轴条件下传动执行电机选择多轴条件下传动执行电机选择 1).等效负载的计算等效负载的计算 m/ L=i1，力矩关系：，力矩关系：1/(i) 其中其中589.2w 输入参数：输入参数：电枢电流电枢电流IR=8.2A ; 电枢电压电枢电压UR=110V; 电压电压Uf=220V 电机参数：电机参数：转子飞轮转矩转子飞轮转矩 =0.053 可得可得: 电枢转动惯量电枢转动惯量Jr= /4=0.01325 估算：估算： 2 GD

58、 2 Kg m 2 GD 2 Kg m 2 1.05() 2 9.55() 0.387() 0.387(/) 9.55 2.9() 0.273() R RRR a RRa e R me RR R RR rcmRR UIP R I UI R KVs n KKNmA PP MNm n MKIMNm 电 枢 电 阻 ： 电 势 常 数 ： 电 磁 转 矩 常 数 ： 额 定 转 矩 ： 摩 擦 力 矩 ： 传动比传动比 传动装置采用三级圆柱齿轮和一级涡轮蜗杆传动，总效率为传动装置采用三级圆柱齿轮和一级涡轮蜗杆传动，总效率为: 因为电机功率小，取传动转动惯量因为电机功率小，取传动转动惯量Jp=0.1J

59、r=0.001325 (3)验证验证 温升发热验证：温升发热验证： 261.8 623 0.42 R m i 3 0.960.80.7 2 Kg m 2222 2 2222 2 1 ()() 2 14216394 (0.273)(0.01325 1.1)6230.0875 623 0.726230.7 1.586()2.9() cw rmsrcprma R MJ MMJJi ii N mMN m 所选电机满足发热要求。 短时极限承受力验证短时极限承受力验证: 动态频带验证动态频带验证: lim 2 2 ()() 1426394 (0.273)(0.01325 1.1) 623 0.209 62

60、3 0.76230.7 5.56()(35) 2.98.714.5() cw rcpr R MJ MMJJi ii N mMN m 可见，电机有足够的短期超载能力。取 =4。 3 22 68 1.2 ,58.33/ 142 () 4 2.9 (0.273) 623 0.7 6394 5.23 10623 (0.01325 1.1)() 6230.7 9.41(/ ) 1.411.66/ sc s c Rrc k w mapr kc tsrad s t M MM i J eiJJ i rad s rad s = =7，在其范围内，满足要求。 例例2 小功率伺服系统，已知小功率伺服系统，已知: 解