第4章伺服系统设计与禁忌

1、第4章 伺服系统设计与禁忌4.1 伺服系统设计概述4.1.1 伺服系统及其基本构成a)输入指令微处理器功率驱动器步进电动机被控对象inex检测装置转换电路放大装置执行电动机被控对象校正装置b)图4-1 伺服系统的方框图伺服系统亦称随动系统，隶属于自控系统的一个重要分支。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。伺服系统服务的对象种类繁多，如机器人手臂各关节的运动控制，仿形铣床中铣刀与被加工件之间相对运动轨迹的控制， 电弧炼钢炉电极的位置控制，跟踪雷达天线俯仰角、方位角的自动控制，电动控制阀阀门的位置控制，计算机的磁盘、光盘的驱动控制等。伺服系统是由

2、多种元、器件连接组成的，如图4-1所示。其中图4-1a表示用步进电动机及驱动线路所构成的开环伺服系统，图4-1b则表示闭环伺服系统。图中各部分都是由传递信号来控制的。本章将主要讨论各部分的设计、选择、相互间的连接与匹配并构成系统的问题。就实际伺服系统而言，它除了包含图中所示各部分外，还应该有为各部分提供能源的电源设备，以及系统的控制、检测显示等装置。-inex图4-2 伺服系统的控制系统b)a)c)exG1G2G3inG2G3G1-inex+G1G2G3G4从伺服系统组成元件的性质看，有全部为电气元件组成的电气伺服系统；有电气元件与液压元件组合成的电气-液压伺服系统；有电气元件与气动元件组合成

3、的电气-气动伺服系统。本章仅以电气伺服系统为例，介绍伺服系统的设计方法，举一反三，并不失其通用性。伺服系统常用的控制方式见图4-2，其中图4-2a为开环控制；图4-2b为闭环控制；图4-2c为开环与闭环的组合控制形式，简称复合控制。4.1.2 对伺服系统的设计要求工程上对伺服系统的设计要求很具体，由于伺服系统所服务的对象不同、用途殊异，因而对伺服系统的要求也有差别。可将技术要求归纳为以下几个方面：1) 对系统基本性能的要求，包括对系统稳态性能和动态性能两方面的要求。2) 对系统工作体制、可靠性、使用寿命等方面的要求。3) 系统需适应的工作环境条件：如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动、抗冲

4、击等方面的要求。4) 对系统体积、容量、结构外形、安装特点等方面的限制。5) 对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。这些问题涉及的面很广，限于篇幅，本章只针对伺服系统的基本性能要求，讨论伺服系统设计的基本方法。因此，先将伺服系统稳态性能和动态性能的一般性要求简述如下。（1） 伺服系统的稳态性能要求1) 系统静误差es（其量纲是角度或长度）。对闭环控制的伺服系统而言，按线性理论分析应该是无静差系统，但实际系统的检测装置分辨力有限，系统带动被控对象运动总会承受干摩擦，这些都造成实际系统有静误差es存在。2) 系统速度误差ev（角度或长度）。系统处于等速跟踪状态时，系统输出

5、轴与其输入轴作相等的匀速运动，在同一时刻，输入轴和输出轴之间的转角差。3) 系统最大跟踪误差em（角度或长度）。系统输出轴在一定的速度和加速度范围内追随输入轴运动时，在同一时刻两轴之间最大的差值。4) 系统最低平稳跟踪角度min（或速度vmin或转速nmin），是系统输出轴平稳追随输入轴作匀速运动时，系统输出轴不出现明显的步进现象所能达到的最低速度。5) 系统最大跟踪角速度max（或 vmax或nmax），是系统输出轴平稳跟随输入轴，且不超过系统速度误差ev的前提下，系统所能达到的最高速度。6) 最大跟踪角加速度 max（或amax）,是系统输出轴跟随输入轴，在不超过最大跟踪误差e m的前提下

6、，系统所能达到的最大角加速度。7) 最大角速度lim（或vlim或转速nlim）、输出最大角加速度 lim（或alim）,均指不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到的极限速度和极限加速度。当然，对系统稳态性能还有其他的要求或其他的提法，如正弦跟踪状态下的误差、速度品质系数Kv、加速度品质系数Ka、连续调速范围D等。以上介绍稳态误差的时候，均提到系统输出轴跟踪系统输入轴运动，并以两轴之间的瞬时转角差作为系统的误差值，实际上有些伺服系统并没有实际的输入轴存在，输入信号不是依靠转动输入轴来产生，而是代表输入转角的信号电压或具体的数字代码。(2）伺服系统动态性能要求1) 系统应是渐近稳定的，并应具

7、有一定的稳定裕量。2) 在典型信号输入下，系统的时域响应特征要满足规定的要求，用得最多的是系统处于静止协调状态下（即零初始条件下），系统对阶跃输入信号的响应特征，通常取最大超调量Mp、协调时间（即过渡过程时间）ts、振荡次数N等特征量作定量的评价。3) 系统的频域响应特征，通常用波德图表示，有时取最大振荡指标Mr、系统的频带宽度wb等特征量作指标。4) 当系统稳态运行时（通常以等速跟踪状态下），系统输出轴承受负载力矩作阶跃变化或脉冲扰动变化时，系统的动态响应特征也是考核的内容，通常选取系统动态过程中的最大误差et、过渡过程时间ts等特征量来衡量。5) 根据系统内部参数的可能变化范围、被控对象特

8、征的变化范围、系统工作环境条件的变化范围，对系统性能的鲁棒性提出要求。以上仅仅是简要概括对伺服系统性能要求的几个方面，随被控对象的不同，对伺服系统的性能要求差别很大。在着手设计伺服系统时，必须注意用户对系统所提出的基本性能要求，并以此作为定量设计计算的依据。4.1.3 伺服系统设计的内容和步骤伺服系统设计的主要内容和步骤可分为以下几点；(1) 系统总体方案的初步制定 首先根据需要与可能，对伺服系统的总体有一个初步的设想。是采用纯电气的，还是采用电气-液压或是电气-气动的？在确定采用纯电气的方案时，是采用步进电动机作执行元件，还是采用直流伺服电动机或是交流伺服电动机？系统控制方式是用开环的或是闭

9、环的或是复合控制的？是采用模拟式的还是采用数字式的？整个系统应由哪几个部分组成？这些问题在制定方案时必须明确回答。当然可以订几个方案，以便进一步分析比较。(2) 系统的稳态设计 总体方案仅仅是一个粗略的轮廓，必须进一步将系统的各部分具体细化，通常先根据对系统稳态性能的要求，进行稳态设计，将系统各部分采用什么型号规格和具体参数值都确定下来。系统的稳态设计也要分步骤进行：首先要根据被控对象运动的特点，选择系统的执行电动机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动执行电动机的功率放大装置；然后再根据系统工作精度的要求，确定检测装置具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的路线参数；最后根据已确

10、定的执行电动机、功率放大装置和检测装置，设计前置放大器、信号转换路线等。在考虑各元、器件的相互连接时，要注意阻抗的匹配、饱和界限、分辨力、供电方式和接地方式；为使有用信号不失真的、不失精度的有效传递，要设计好耦合方式；同时也要考虑必要的屏蔽、去耦、滤波等抗干扰措施。(3) 建立系统的动态数学模型 经过系统的稳态设计后，系统主回路各部分基本上均已确定。但稳态设计依据的主要是系统的稳态性能指标，因此所构成的系统还不能保证满足系统动态性能的要求，为系统的动态设计做准备，需要对稳态设计所确定的系统作定量计算（或辅助实验测试），建立它的动态数学模型，称之为原始系统的数学模型。(4) 系统的动态设计 根据

11、被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学模型，进行动态设计，要确定采用什么校正（补偿）法方式，确定校正（补偿）装置具体线路和参数，确定校正装置在原始系统中具体连接的部位和连接方式。使校正（补偿）后的系统能满足动态性能指标要求。(5) 系统的仿真试验 根据校正后系统的数学模型进行仿真，以检验各种工作状态下系统的性能，以便发现问题，及时予以调整。以上设计内容和步骤只是拿出一个定量的设计方案，工程设计计算总是近似的，只作为工程实施的一个依据，在具体实施时，要经过系统调试实验，方能将系统的有关参数确定下来，特别是校正（补偿）装置的参数，往往要通过系统的反复调试才能确定。因此，本章所介绍

12、的设计方法都不是万能的，它们只是便于工程设计定量，使设计者心里有数，灵活运用，禁忌生搬硬套，为工程实施少走弯路、减少盲目性。4.1.4 伺服系统设计方案的选择禁忌1) 伺服控制技术是机电一体化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个重要分支。在选用伺服系统方案时必须首先了解伺服系统的历史沿革，做到心中有数，禁忌盲目性。早期的伺服系统都是采用“交磁电动机扩大机-直流电动机”式的驱动方式，由于交磁电动机扩大机的频率响应较差，电动转动部分的转动惯量以及电气时间常数都比较大，因此，响应速度比较慢，控制性能也较差。20世纪60年代初期，有关电-液伺服技术的理论日趋完善，从而使电-液伺服系统的应用达到

13、了前所未有的高潮，并被广泛地应用于武器、船舰、航空、航天等军事工业部门以及高精度机床控制；它表现出较早期伺服系统无以伦比的快速性、低速平稳性等一系列优点；因此，60年代的伺服系统中，液压控制有优于直流伺服电动机控制的趋向；有一些由电动机拖动的机床给进系统，也相继改成为电-液伺服系统；但是，液压系统存在漏油、维护修理不便、对油液中的污染物比较敏感、经常发生故障等缺点。20世纪60 年代机电伺服系统在一些重要元器件的性能上有新的突破，尤其是可控的大功率半导体器件 晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性上都具有明显的优点；20世纪70年代以来，国际上电力电子技术（即大功率半

14、导体技术）突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如门极关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）、场效应晶体管（P-MOSFFT）等。与此同时，随着稀土磁材料的发展和电动机制作技术的进步，相继研制出了力矩电动机、印刷绕组电动机、无槽电动机、大惯量宽调速电动机等性能良好的执行元件， 与脉宽调制式装置相配合，使直流电源以110kHz的频率交替地导通和关断，用改变脉冲电压的宽度来改变平均输出电压，从而调节电动机的转速，大大改善了伺服系统的性能。力矩电动机是一种低速电动机，调速范围广、低速平稳性好，最低平稳转速很低。这样可以用电动机直接拖动负载而省掉中间减速器，从根本上避免

15、了齿隙、空回所带来的一系列问题。无槽电动机是一种小惯量高速电动机，其转动惯量甚至比同样功率的液压马达还小，其调速范围比同功率容量的液压马达还宽，加上机电系统维修简便，成本低廉，对电-液伺服系统形成了有力挑战。伺服系统隶属于自控系统的一个重要分支，早先是以经典的频率法进行分析和设计，是以传递函数、拉氏变换和奈氏稳定理论为基础的。20世纪50年代发展了根轨迹法，这种方法是根据闭环传递函数特征方程的根在复平面上的分布，以及开环传递函数的零点和极点情况来判断增益对系统稳定性、动态特性、带宽等重要指标的影响而进行补偿器的设计。这些方法对于解决多变量时变系统是无能为力的。到了20世纪60年代发展了现代控制

16、理论，适应于多变量时变系统，为计算机在伺服系统中的应用奠定了理论基础。随着控制技术的发展，对伺服系统的性能不断提出新的要求。近年来，数字技术的飞速发展，将计算机与伺服控制系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节已成为现实。在直流伺服系统中，利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、完成系统的管理、监视等任务，使伺服系统向着智能化方向发展。随着大规模集成电路的飞速发展，以及计算机（特别是微处理机）在伺服控制系统中的普遍应用，近年来，构成伺服控制系统的重要组成部分伺服元件发生了巨大变革，并且向着便于计算机控制方向发展。为提高控制精度，便于计算机相接，位置、速度等检测元件趋于数字化、

17、集成化。即使是模拟式的伺服元件亦在向着高精度、低噪声的方向发展。目前，用大功率晶体管PWM控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用最为广泛的驱动形式。这种装置能实现宽范围的速度和位置控制，较之常规的驱动方式（交磁电动机扩大机驱动、晶体管线性放大驱动、电-液驱动、晶闸管驱动）具有无可比拟的优点。总而言之，微电子学的突飞猛进、大规模集成电路的批量生产、微型计算机的广泛应用，使得伺服技术也获得迅猛发展。其中微处理机使现代控制理论在伺服系统中的应用得到了有力的支持，架起了现代控制论通向伺服系统领域的桥梁，大大改善了控制性能。而电力电子学的最新成就，又促进了伺服系统的发展。展望未来，

18、新器件、新理论、新技术必将驱动伺服系统朝着“智能化”方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器在近代必将获得最广泛的应用。伺服系统总是由若干元、器件组合而成。因此，伺服系统方案的选择要求系统设计师必须熟悉市场上供应的元器件和材料的新情况，及时索取最新技术产品资料，了解国内外加工工艺和检验技术水平，追踪新元器件、新工艺和新技术的发展，密切注视电力电子学领域的动态。这样，才有可能制定出能付诸实施的、先进合理的设计方案。系统设计师要经过调查研究，在充分掌握上述信息的基础上，结合系统设计的技术要求，制订出系统的结构方案。具体地说，要选定系统各主要元部件的形式、确定各部件的接口方式、系统控制方式

19、，确定系统的主干线路、辅助线路及电源形式。同时，进行必要的稳态计算（稳态计算包括：执行元件的计算和选择，功率放大器的选择和计算，敏感元件确定，中间控制电路的确定、传动装置设计等），检验各部件之间输入、输出的功率匹配以及精度，解决信号的有效传递、综合叠加、信号形成与变换，以及级间耦合匹配等问题，作出定量的计算和选择。拟定系统主干线（指模拟控制系统）时，还要为引入的校正补偿装置留有余地，尽量照顾到改善动态性能及综合校正的方便。在伺服系统方案的选用时必须做到心中有数，禁忌盲目性。因为伺服系统的服务对象是各种各样的，要概括出一种通用的、行之有效的设计方法是困难的。但伺服系统都是为某一具体的控制对象服务

20、的，因而必须按照对象的特点和需要，制定出技术条件，以作为设计系统可行的依据。控制方案的选择要考虑到许多方面的因素，如系统的性能指标要求；元件的资源和经济性；工作的可靠性和使用寿命；操纵和维护是否方便等；亦称可操作性能和可维护性能。通常要经过反复比较，才能最后确定。系统方案的选择，从信号体制的不同，可以选择直流、交流、交直流混合和数字控制等不同的方案；从组成系统的回路和对系统的校正方式的不同，可以选取单回路和多回路的不同方案；从系统工作方式的不同，有线性控制和非线性控制的不同方案；从对付外界信号带来系统影响的补偿方式，可以选择前馈控制和补偿控制，亦称复合控制等等。近年来，由于数字计算机的普及，连

21、续控制和离散控制的混合系统无疑是一个重要的技术发展方向。纯直流控制方案在结构上比较简单，容易实现而得到应用。但是直流放大器的漂移较大，这种系统的精度较低，目前只用于精度要求低的场合。全部交流控制方案，这种控制方案结构简单，使用元件少，但测量元件输出的误差信号中，含有较大的剩余电压，这部分电压是由正交分量和高次谐波所组成；当系统的增益较大时，剩余电压可使放大器饱和而堵塞控制信号的通道，使系统无法正常工作，因而这种方案限制了增益的提高，也就限制了控制系统精度的提高；另外，交流校正装置的实现是比较困难的，这给控制系统的调整带来麻烦；由于上述原因，就使得系统精度难以提高，目前全部交流方案应用也较少；通

22、常，应用在精度要求不高的地方；例如航海使用的电罗经，精度要求0.5，就是应用全部交流控制方案。在要求较高的控制系统中，一般多采用交直流混合的控制方案；这种方案比全部交流方案增加了相敏检波和滤波环节，有效地抑制了零位的高次谐波和正交分量；同时采用直流校正装置容易实现，使得控制系统的精度得到提高；因而得到广泛采用。在设计和调整中，要注意在交直流变换过程中，尽量少引入新的干扰成分和附加时间常数，在调解器中应注意滤波器参数的选择。在选择以角度为控制对象伺服系统时，宜采用调相工作的角度随动系统。该系统的输入角由数字装置给出，它以输入方波对基准方波的相位表示。系统的输出角度经测量元件（精密移相器）变成方波

23、电压的相角变化。这样输入和反馈的方波在比相器上进行相位比较，将相位差转换成直流电压，经校正后控制执行电动机转动。调相系统具有很强的抗干扰能力，和计算机连接很方便，采用计算机参与控制，可以使控制更灵活和具有更强的功能。控制系统可以由单回路、双回路和多回路构成。单回路的控制系统结构简单，容易实现；一般只能施加串联校正；这种结构在性能上存在下列缺陷：对系统参数变化较敏感，其参数变化全部反映在闭环传递函数的变化中；抑制干扰能力差，单回路控制系统难于抑制干扰作用的影响；另外，在单回路系统中，如果系统的指标要求较高，系统的增益应当较大，则系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结构；出于上述原因，单回

24、路控制系统只适用于被控对象比较简单，性能指标要求不很高的情况。在要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路的结构；双回路是在单回路（可选择串联校正装置）中增加局部反馈（可选择并联校正装置），由于有了局部反馈，可以充分用来抑制干扰作用，而且当有关部件参数变化很大时，局部闭环系统可以快速削弱它的影响；一般局部闭环是引入速度反馈，控制系统引入速度反馈还可改善系统的低速性能和动态品质；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（一般不得高于三阶）。除了上述双回路的控制方案之外，还有按干扰控制的多回路控制方案，亦称复合控制方案；反馈控制是按照被控

25、参数的偏差进行控制的，只有当被控参数发生变化时，才会形成偏差，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，它属于开环控制方式，又称前馈控制或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速度误差、加速度误差等；补偿控制是对干扰进行补偿，当外界干扰可检测时，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；并且理论上干扰对系统的作用可得到完全的补偿，亦称控制系统对干扰实现了完全的不变；但在实际系统中，由于干扰源较多，而且测量往往不易准确，网络的构成也存在困难，因此完全补偿是不可能实现的，只能做到近似补偿，也称近似不变性。在选择方案时还应特别注意，选

26、择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。但是，针对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。例如，对军用伺服系统应多注意工作品质、可靠性和灵活性；而对民用工业的伺服系统，还需考虑长期运行的经济条件；系统在室内还是在室外工作、湿度变化范围、电气元件是否要密封；采用模拟控制有利还是数字控制有利等。当系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，并对精度的要求又较高时，可以考虑设计二阶无静差的伺服系统或者采用复合控制系统。当然二阶无静差系统的稳定性不高，当机械传动的间隙稍大时易产生自振荡。负载需要调速范围很宽时，一般对执行电动机的选择须十分慎重。对负载需要高速旋转、且低速要求又很严时，一般选择无槽电

27、动机为宜。但通常电动机与负载之间需要齿轮耦合。为了提高刚性，在高性能系统中，一般宜选择大惯量宽调速的低速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。对于敏感元件，一般以采用无触点敏感元件为好。另外，在制定方案的同时，必须认真考虑电磁兼容性要求。总之，选择方案时应首先根据系统的主要要求，初步拟定一个方案，进行可行性分析；然后做一些实验和性能分析，进一步补充和完善；有时往往需要同时构思几个方案进行对比、优化。等待方案确定后便可按照设计步骤逐项进行，也可以在实验中做局部修改。2) 设计伺服系统必须按照用户所提出的要求，主要是依据被控对象工作的性质和特点，明确对伺服系统的基本性能要求；同时要充分了解市场上器材、

28、元件的供应情况，了解它们的性能质量、品种规格、价格与售后服务，了解新技术、新工艺的发展动态。在通盘、全面考虑的基础上才能着手设计，禁忌顾此失彼、闭门造车。在设计伺服系统时，首先要拟定一个设计方案，这个方案通常是个粗线条的、大概性的描述，在此基础上才便于开展定量的工程设计计算及工程实验，使设计方案逐步具体细化，以指导工程实践。设计方案主要包含系统的构成及各主要元、器件采用什么类型？系统的输入采用什么形式？是机械位移（或转角）？是模拟电量，还是数码信号？相应的系统输出机械转角（或直线位移）采用什么类型的检测装置？系统的执行元件是采用交流伺服电动机，还是直流伺服电动机，或是采用液压马达？相应的功率驱

29、动装置打算选用什么类型？系统位置闭环是采用模拟器比较，还是采用数字量比较？系统各主要元、部件之间相互连接的方式，以及信号传递、信号转换的形式。这些问题在制订方案时应有通盘的考虑。伺服技术发展很快，种类繁多，新元件、新方法在伺服系统中的应用层出不穷，可供设计者挑选的余地很宽。伺服系统总是为某个具体的被控对象服务的，常是整个装置的一个组成部分，因此制订伺服系统设计方案时，不能脱离被控对象的实际情况，要仔细分析它对伺服系统的性能有哪些要求？伺服系统工作的环境条件，整个装置对伺服系统的结构尺寸、体积、重量、安装条件有哪些限制？为伺服系统所提供的能源条件等等。这些总是在制订系统方案时应全面考虑到。例如有

30、些设备工作于露天野外环境，没什么防护设备，它所需要的伺服系统应能经受风雷、雨淋，系统各组成部分（特别是检测元件、执行电动机等需要运动的部件）均应采用密闭性好的封闭形式，并要具有在-40+50环境下正常工作的能力。又例如有些设备只能为伺服系统提供直流低压（如30V）电源，伺服系统主要消耗功率的部分是执行电动机及其功率驱动装置，低压的直流伺服电动机有现成的产品系列可供选择，而选用交流伺服电动机则要单独配置交流电源，若适应低压直流电源配置逆变器和相应的交流伺服电动机，因无现成的产品而需新设计研究，这就增加了伺服系统研制的经费和研制周期。总之，进行伺服系统方案选择时，要考虑实际需要与实现的可能性。可以

31、提出多个方案进行全面的分析对比，选一个更切合实际的方案。从控制原理上考虑，制订设计方案时亦应明确：是设计成线性连续的系统，还是设计成数字式的？可变结构的，或是具有非线性特性的？就是明确了设计成线性连续的系统，还需要明确是设计成型系统，还是型的或更高型的系统？打算用PI调节器，还是采用前馈加反馈（即复合控制方式）？甚至对系统的补偿是打算用串联补偿，还是采用状态反馈？这些问题在制订方案时也应有所考虑，事先考虑充分、周到，整个设计工作会少走许多弯路，设计的结果会少一些缺陷。此外，伺服系统的制造成本、系统的寿命与可维修性，系统组成的标准化程度等，这些也是选择方案时需要考虑的，特别是对有一定批量的产品，

32、这些问题更显得突出。制订系统设计方案是件综合平衡的工作，要求设计者广泛地、深入地调整研究，仔细地分析实际需要，认真地探讨各种实现的可能性。对新元件、新技术的出现要敏感，要善于吸取，以推动伺服技术的发展。总之，在伺服设计系统时，要注意综合考虑。因对伺服系统性能的要求是多方面的，每步设计都要将相关问题充分考虑周到；要善于综合平衡，灵活应用，禁忌顾此失彼，生搬硬套。并且这些设计思想，在具体到每一步设计中，都会涉及到，请设计者格外留意。4.2 执行电动机的选择与禁忌4.2.1 执行电动机选择的基本依据伺服系统设计通常从选择执行电动机开始。作为伺服系统的执行元件，应能方便地实现连续地、平滑地、可逆调速，

33、对控制信号反应快捷，才能保证整个系统带动被控对象按所要求的规律运动。伺服系统应看作是被控对象的一个组成部分，执行电动机是伺服系统的一个重要组成部分，同时又要它驱动被控对象，因此它是伺服系统与被控对象相联系的一个关键部件。执行电动机必须适应被控对象工作的特点与环境条件，它的机械结构尺寸、安装固定方式，必须与被控对象紧密配合，以求得总体的合理配置，便于安装调整，便于使用维护。这些都关系到执行电动机的选择。在伺服系统应用的许多场合，要想改换别种类型的执行电动机，常会遇到机械结构、体积重量、使用环境条件、电源配备的种类等方面的限制，使设计难以实现。可用作伺服系统执行元件的电动机种类很多，从大的类别看：

34、有直流伺服电动机（他激的或永磁的）、直流力矩电动机、直流无刷电动机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电动机、同步电动机、各种步进电动机等等。由于它们调速方法不同、所需电源种类不同、驱动它们运转的功率放大装置更是多种多样，因而它们的机械特性、调速特性、过载能力、线路的复杂程度、驱动功率的大小、以及构成系统的总成本，都各不相同，需要认真地具体分析比较来确定。选择执行电动机不能只停留在确定电动机的类别及其控制方式上，还必须确定具体型号与规格，需要作定量的核算。为此，要根据被控对象的运动形式（旋转或直线运动），运动的变化规律，运动负载的性质和具体数量，运行工作体制（是长期连续运行或短时运行或间歇式

35、运行），结合系统的稳态性能指标要求，作定量的分析。伺服系统带动被控对象运动，常常很难用简单的数学表达式来描述，为便于工程设计计算，需作合理的简化，首先应将被控对象运动负载作必要的典型分解，以转动形式为例，常见的典型负载有以下几种：1） 干摩擦力力矩TC=TCsign 式中，表示负载转动的角度（rad/s）；sign为符号函数。2） 惯性转矩TJ =j式中，j为负载转动惯（kg m2）；为负载角加速度（rad/s2）。3） 粘性摩擦力矩Tb =C式中，C为粘性摩擦系数（Nms）。4) 重力力矩TG =Gl式中，G表示负载重量（N）；l负载重心垂线到转动中心的距离（m）。5） 弹性力矩TK =Km

36、式中，K为扭转弹性系数（Nm/rad）；m为负载转动角度（rad）。6） 风阻力矩Tt =f式中，f为风阻系数（Nms2）。尽管伺服系统的负载特性多种多样，其中大多数系统可用Tc和TJ两种组合表示，有的需三种或多种典型负载的组合来表示。以上典型负载与其运动参数（角速度或角加速度或角度）有关，如果被控对象的运动有规律，其角速度（t）、角加速度（t）、角度m（t）能用简单的数学形式来表达，则定量分析系统负载的大小很方便。但多数被控对象的运动形态是随机性的，很难用简单的确定的格式来描述，工程上采用近似方法，或选取几个有代表性的工况作定量分析计算。如长期运行时执行电动机的发热状态，短时超载或系统极限运

37、行时执行电动机的承受能力，根据对系统动态性能的要求检验执行电动机的响应能力等。显然，被控对象的运动是与执行电动机的运动同时进行的。执行电动机除了要克服被控对象所形成的负载外，还必须克服电动机自身的干摩擦力矩Trc （N m）和电动机转子的惯性转矩Jr r 式中，Jr （kg m2）为电动机转子转动惯量， r（rad/s2）为电动机转动角加速度。当执行电动机与被控对象之间有变速传动装置时，还需要考虑传动比i、传动效率和传动装置的等效转动惯量Jp（kg m2）等因素。被控对象的运动参数及负载特性由用户提出，而电动机的特征及其技术参数由生产厂家推出的产品目录来提供。但电动机的种类多、型号多、生产厂家

38、也多，所提供的产品技术参数也不一致。所用量纲也不统一，因此选执行电动机作定量计算时，必须作相应的换算。例如LY系列永磁式直流力矩电动机产品目录， 列出电动机的输出参数有： 峰值堵转力矩Tmbl、最大空载转速nmo、连续堵转力矩Tcbl；对应的电动机输入参数有: 峰值堵转电流Imbl和电压Um，连续堵转电流Icbl和电压Uc；电动机自身的参数有：电势系数Ce，转子转动惯量Jr，电磁时间常数Ti。需要指出的是：其中nmo是电枢电压为Um时电动机的实际空载转速，并不是理想空载转速nio nio = UmCe （4-1）nmo和Tmbl可以决定电压为Um时电动机机械特性，并可求出电动机自身的摩擦力矩T

39、rc Trc = Tmblnio(nio-nmo ) （4-2）如对于90LY54系列电动机，它的技术参数：Um=48V， Imbl=1.5A， nmo=450r/min，Icbl=0.86A， Uc=27.4V， Ce=0.096V/(r/min)， Ti=3ms， Tmbl=14 kgcm=0.149.8=1.372 Nm， Tcbl=8 kgcm=0.784 Nm， Jr=6gcms2=69.810-5=5.8810-4 kg m2。将Um、Ce代入式（4-1）得 nio =500r/min再由式（4-2）得 Trc = 1.372500500-450Nm=0.1372Nm1.3720.

40、7840285.4500TrcT/Nmn/(r/min)图4-3 90LY54电动机的机械特征连接nio和Tmbl直线，如图4-3所示是电压为Um的机械特性。它代表该电动机特性的极限，在横坐标Tcbl点作平行于第一条机械特征的平行线，即得电压Uc时的电动机机械特性，它的空载转速no为 no =UUmnio=285.4r/min这两条机械特性就是电动机定量计算的依据。此外，直流力矩电动机电枢电阻Ra为 Ra =UmImbl （4-3）电动机的反电势常数Ke (Vs)为 Ke=9.55Ce （4-4） 对应90LY54电动机，其Ra =32，Ke =0.9168 Vs，电磁转矩常数Km=0.916

41、8Nm/A，即Km的数值等于Ke，但量纲应是Nm/A。这些数据对于定量分析，建立系统动态数学模型都是重要的、必须的。例如SZ系列直流伺服电动机的技术数据，产品手册上给出电动机的输出参数有额定转矩Tnom、额定转速nnom、额定功率Pnom，输入参数有电枢额定电压Unom、额定电流Inom、激磁电压Uf 和激磁电流if ；电枢转动惯量Jr，其他参数需要用以下关系估算：电枢电阻 Ra =UnomInom-Pnom2Inom2 （4-5） 电枢电感 La =3.82UnomnpnnomInom （4-6）式中，np为电动机磁极对数。电势常数 Ke =9.55(Unom InomRa )nnom （4

42、-7）转矩常数 Km =Ke （4-8）在ZK型封闭式直流伺服电动机的技术数据中，有额定功率Pnom(kW)、额定电压Unom(V)、额定电流Inom(A)、额定转速nnom（r/min）、转子飞轮惯量GD2(kg m2)。除需要上述关系式计算有关参数外，还有额定转矩 Tnom =9.55Pmnnom103 （4-9）因Pnom的量纲换算成W需要乘103。转子转动惯量 Jr =GD24 （4-10）电动机自身的摩擦力矩Tre可以用下式估算：Tre =KmInomTnom （4-11） 在SL系列两相异步电动机的技术参数中，有电动机输入参数：频率f（Hz）、 激磁电压Uf （V）、额定控制电压U

43、nom、堵转电流Ibl (A)、每相输入功率P（W）；电动机输出参数有额定输入电压Pnom（W）、空载转速no(r/min)、堵转转矩Tbe (gcm)；电动机自身参数有极对数P、电动机时间参数Tm(s)。两相异步电动机自身摩擦力矩很小，计算时可忽略。其额定转矩Tnom =1/2Tbe 9.8，额定转速 nnom =9.55PnomTnom （4-12）电动机转子转动惯量 Jr =9.55TmTbl9.810-5no （4-13）从产品手册中所列数据可看出：两相异步电动机的体积不小而输出功率小，只适于功率很小的场合。但由于控制线路简单，构成系统的成本低，仍应用很广泛。可供伺服系统用作执行元件的

44、直流电动机的类数很多，其控制线路也比较简单，加上直流电动机的调速特性线性化、实现可逆调速很方便，过载能力很大，因而在伺服系统中得到广泛的应用。三相异步电动机作为伺服系统执行元件还是近年来才出现，三相异步电动机本身成本低，性能稳定，便于维护，为获得较宽的调速范围，需采用变频调速等较复杂的控制线路，目前用异步电动机构成伺服系统的总成本比直流伺服系统要高。但随着电子产品价格的不断下降，尤其是在中等功率特别是大功率的应用场合，交流伺服系统有逐渐代替直流伺服系统的趋势。用步进电动机构成伺服系统，亦适用于小功率的场合，特别是用它可构成开环系统十分简单。在负载比较小的场合，用微处理器（或单片机）实现控制，是

45、一种运用较为普遍的方案。4.2.2 单轴传动的执行电动机选择执行电动机轴直接与被控对象的转轴相连称为单轴传动，此时，电动机的角速度与负载角速度相同，两者的转角相等，电动机轴承受的总负载只需简单的相加便可得到。下面通过举例来说明单轴传动的执行电动机如何选择，以及定量核算的方法。例1 某探测器需要一套方位角跟踪系统， 最大跟踪角速度m =12/s， 最大跟踪角加速度m =120/s2，最大跟踪误差角度em 20。在零初始条件下，系统对输入阶跃信号的响应时间ts 0.5s，最大调转角加速度lim =200/s2 。探测器在机座上转动有干摩擦力矩Tc =0.1N m ，它的运动惯量Jl =4.44 k

46、g m2。这里先只考虑执行电动机的选择问题。先进行单位换算，角度都用弧度（rad）表示m =120/s=2.09 rad/s； m=120/s2=2.09 rad/s2；lim =200/s2=3.5 rad/s2； em120=0.0058 rad系统需要的角速度比一般直流伺服电动机、交流异步电动机的额定转速低许多，只宜采用力矩电动机才可能实现单轴传动。根据系统的负载和运动参数的要求，查手册可选择250LY55作该系统的执行电动机，需要根据电动机的参数检验它能否满足系统的要求，已知250LY55的技术参数如下：峰值堵转力矩：Tmbl =200kgcm=19.6Nm；峰值堵转电流：Imbl =

47、4.04A ；峰值堵转电压：Um =48V； 最大空转转速：nmo =80r/min=8.38rad/s；连续堵转力矩：Tcbl =130 kgcm=12.74Nm；连续堵转电流：Icbl =2.63A；连续堵转电压：UC =31.4V；电势系数：Ce =0.51V/(r/min)；转子转动惯量：Jr =360gcms2 =0.03528 kg m2。由式（4-1）可计算出理想空载转速 nio =48/0.51r/min=94r/min=9.84 rad/sT/Nm7.2902.9Trcm2.096.49.84A18.66 19.612.74/(rad/s)图4-4 250LY55电动机的机械

48、特性根据nio和Tmbl画出该电动机在Um =48V时的机械特性，如图4-4所示。再由Tcbl作它的平行线，既得对应连续堵转的机械特性。它对应的空转转速为12.74 no =UcUmnio=6.4rad/s由式（4-2）得电动机自身摩擦力矩Trc =2.9Nm。探测器探测的目标无既定的运动规律，为适应连续跟踪的要求，需检验伺服系统长期运行，250LY55的功率是否满足要求。即检验电动机的发热与温升是否在容许条件内，在此可用等效正弦运动规律来计算执行电动机所承受的等效转矩Trms Trms =(Tc+Trc)2+12(J1+J2)2m2 （4-14）将250LY55和被控对象的有关数据代入（4-

49、14）得Trms =7.29Nm。根据Trms 和最大跟踪角度om在4-4上确定长期运行的等效工作点A，它处在对应连续堵转的机械特性附近，说明电动机长期在A点运行时发热与温升都没有超过电动机的允许值。当伺服系统带动探测器以加速度 lim 作调转运行时，电动机轴上承受的总负载力矩 T = Tc + Trc + ( Jc + Jr ) lim =0.1+2.9+（0.44+0.03528）3.5 Nm = 18.66 NmTmbl （4-15）该值小于电动机的峰值堵转力矩Tmbl =19.6 Nm，说明该电动机能实现快速调转的要求。最后还需要检验执行电动机能提供的响应频率 k ，能否符合系统动态性

50、能的要求，对力矩电动机而言，输出转矩不能超过Tmbl ，作为系统的执行电动机所能提供的 k =Tmbl-(Tc+Trc)em (Jl+Jr) （4-16）将以上参数代入式(4-16)，即得250LY55为该系统所能提供的 k =25.22 rad/s，它将大于系统开环的截止频率 c 。根据系统对输入阶跃信号响应时间ts 0.5s 的要求，可近似估计系统的开环截止频率 c ，按照经验应有 k 1.4wc ，从以上数值看，可认为250LY55符合要求。经以上从稳态和动态几方面的要求出发所作的定量计算，均说明250LY55可作为该探测器方位伺服系统的执行电动机。如以上任一项不能满足要求，则应考虑改选

51、别的型号，直到以上要求均得到满足才算合适。4.2.3 多轴传动的执行电动机选择多数伺服系统执行电动机与被控对象之间有减速传动装置，减速比i 1，即执行电动机的转速是负载转速的i倍，执行电动机轴输出力矩是负载转矩的1/i，这里 1是减速装置的传动效率。这种带减速传动装置的传动形式称之为多轴传动。在选择多轴传动的执行电动机时，还需要确定减速传动装置的形式、传动比i、传动效率和传动装置的等效传动惯量Jp 。在作定量计算时，要进行等效折算，把多轴传动折算成等效的单轴传动。下面列出折算的关系式，凡电动机轴上的有关参数下标用m表示，负载轴有关的参数下标用L表示。转角：m =iL ；角速度：m =iL ；角

52、加速度：m= iL ；负载转矩折算到电动机轴上：TL /i ；负载转动惯量折算到电动机轴上：JL/i2 ；负载粘性摩擦因数折算到电动机轴上：bL/i2 ；负载风阻系数折算到电动机轴上：f L/ i2 ；负载扭转弹性系数折算到电动机轴上：KL/i2 。很显然，多轴传动的执行电动机选择问题比单轴传动的情况复杂，待定的参数太多，为减少盲目性，这里介绍一种简单的初选方法。然后确定有关参数，并按稳态和动态的要求对所选电动机作验算。考虑到大多数伺服系统的负载只有干摩擦力矩Tc（Nm）和惯性转矩JL（Nm），因此可依据伺服电动机的额定输出频率Pnom（W），用式（4-17）初选电动机。 Pnom 2（Tc+

53、JLm）m （4-17）式中，m是系统负载轴最大跟踪角加速度（rad/s2）；m是系统负载轴最大跟踪角速度（rad/s）。在初选电动机时，式（4-17）右端的各项参数都应是已知的。因此可很方便算出所需电动机的功率值，由它查产品手册可选出准备采用的电动机型号，同时电动机的各项技术参数便成为已知。接着根据电动机的技术参数和负载运动的要求，选择传动装置的传动比i，选择减速装置的类型，估计传动装置的传动效率，估计传动装置折算到电动机轴上的等效转动惯量Jp 。伺服系统传动装置采用的类型很多，如齿轮（圆柱形、圆锥形）、齿条、蜗轮与蜗杆、螺母与丝杠、齿形带、谐波传动等，也可以是几种形式的组合。为保证系统的快速响应，设计系统传动装置时应使其效率高、转动惯量小，通常0.6，惯量折算到电动机轴上Jp (0.10.05) Jr ，电动机功率大的取较小的系数，功率较小的取较大的系数。有经验数据可供估算效率：每对齿轮副的=0.940.96，经对研后可达到0.98；每对锥齿轮副的=0.920.96；蜗杆蜗轮传动，当Z=1时=0.70.75，Z=2时=0.750.82，Z=3或4时=0.820.9，如形成自锁0.7；齿轮齿条传动=0.70.8；螺母丝杠传动=0.50.6，滚珠丝杠传动=11+0.02d