第五章 伺服系统技术

1、一、伺服系统基本概念一、伺服系统基本概念 5.1 5.1 概述概述1第五章第五章 伺服系统技术伺服系统技术电气控制装置电气控制装置机械执行机械执行装置装置执行元件执行元件传传感感器器图5.1 伺服系统组成二、伺服系统基本类型二、伺服系统基本类型 2表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式有电气、液压和气压等伺服驱动形式分为步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式0.1110100P(kW)f (Hz)101001000图5.2 伺服系统适用范围3三、伺服系统基本要求三、伺服系统基本要求 minmaxnnRn Rn要大，并且在该范围内，速度稳定； 无论高速低

2、速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力 或力矩； 在零速时，伺服系统处于 “锁定锁定” ” 状态，即惯性小。4四、电气伺服驱动装置四、电气伺服驱动装置 5三种电机驱动的特点：转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制构成廉价的开环系统控制系统控制较简单高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制换向器件需维护具有DC伺服电机的全部优点需要磁极位置检测器无接触换向器件，维护方便6两方面含义功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）WPPW功率密度指单位重量的输出功率：比功率指功率对时间微分：NNTTdtdTTdtddtdP)(因为，电机转动时的动力学方程为：dtdJTmN因此，比功率为：mN

3、JTdtdP/21 5.2 5.2 步进电机伺服驱动步进电机伺服驱动一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理940360z，33 .139120m66 .269240n2334013360360Zkm45 .km二、步进电机的种类二、步进电机的种类三、步进电机的性能参数三、步进电机的性能参数ZZ360Zkm360四、步进电机的运行特性四、步进电机的运行特性sinmaxTTjqLTT五、步进电机参数设计五、步进电机参数设计iM驱动器驱动器指令脉冲指令脉冲Z1Z2ip360maxmaxfv350maxmaxvfdtdJMipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122

4、)(2(00max0281mdJ ldm242)(2pMJ 22)2(12pJJiJMsz22)2(121pJJiJJJMszzmd2)(vMJ 2RMJ 六、步进电机的驱动控制电路六、步进电机的驱动控制电路CLK六、步进电机的单片机控制六、步进电机的单片机控制 5. 3 5. 3 直流伺服电机驱动直流伺服电机驱动一、直流伺服电机及其驱动系统一、直流伺服电机及其驱动系统电励磁：励磁量容易调整，成本低，效率低永久磁铁：不需励磁功率，效率高，性能好 直流直流伺服电机 转速或位置反馈装置 直流电源及驱动电路 接口电路控制电枢绕组中的电流大小和控制电枢绕组中的电流大小和方向，就可以控制电机的转速方向，

5、就可以控制电机的转速和方向，输出一定的电磁转矩，和方向，输出一定的电磁转矩，转速的大小通过转速传感器转速的大小通过转速传感器（编码器）检测并反馈。（编码器）检测并反馈。图1 电枢控制原理二、直流伺服电机的特性二、直流伺服电机的特性当控制电压恒定时，电机的转速与转矩变化的关系当电磁转矩恒定时，电机的转速与控制电压变化的关系图2 直流电机的静态特性三、直流伺服电机驱动系统设计三、直流伺服电机驱动系统设计当在电枢上外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，即：n=f(t)或 =f(t) 根据负载的大小，选择小惯量电机或大惯量电机（也称力矩电机） 和满足要求 折算到电机轴的负载总转动惯量小于或等于电机的转

6、动惯量启动、制动、加速、减速稳定运行，低速或重载 满足稳态转矩要求nLMTT转子JJLM 满足动态转矩要求四、直流伺服电机的调速四、直流伺服电机的调速fLqTTTT其中：Tq为启动转矩TL为负载转矩为加速转矩Tf为摩擦转矩T加速过程近似线性过程，则加速转矩为：amamtnJtJdtdJT602其中：nm为最高转速m为最高角速度 频繁启制动或负载经常变化时，转矩均方根值小于电机额定转矩根据等效发热准则，有：nttTdtTt021其中：Tn为额定转速t为整个工作时间（或周期）Tt为瞬时转矩有三种调速方法： （即恒转矩调速）：不同的转速时， （即恒功率调速）：不同的转速时， 即恒功率调速），如主轴伺

7、服驱动，在额定转速以下为恒 转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速.constITL如进给伺服系统如小惯量高速伺服系统.constIP 5. 4 5. 4 交流伺服电机驱动交流伺服电机驱动一、交流伺服驱动系统组成一、交流伺服驱动系统组成由伺服电机和伺服驱动器组成包括永磁同步电机、鼠笼式异步电机、无刷直流电机采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系统按照伺服电机类型将交流伺服系统分为两大类：异步型交流伺服系统（IM）同步型交流伺服系统（SM）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统矩形波电流驱动的无刷直流伺服系统二、异步交流伺服电机二、异步交流伺服电机转速公式：)

8、1 (60sfnp00nnns其中：f为电源频率s为转差率p为极对数n0为同步转速：通常采取恒转矩调速：即在调速时，转矩维持在Tmax,气隙磁通也在maxfUCfECmaxf为加在定子绕组的电源频率E为定子绕组的电势C为常数其中：U为电机的外加电压当负载转矩一定时，通过调节控制电压的大小或相位达到改变电机转速的目的，有三种方式：fnp600 调节控制电压幅值大小，改变转速 调节控制电压的相位角，改变转速 调节控制电压时，相位角随之改变，达到改变转速目的转速和电磁转矩的关系曲线转速和控制电压的关系曲线图3 交流电机的静态特性控制绕组励磁绕组控制电压不变时，输出功率和转速的关系曲线，是有最大值的抛

9、物线，当堵转或空转时，输出功率为零，输出功率的最大值在n=55%n空转。外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，理论分析知，交流和直流伺服电机的传递函数类似，因此，理想时，二者的动态性相似三、同步交流伺服电机三、同步交流伺服电机包括永磁同步交流电机和无刷直流电机永磁同步交流电机PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）无刷直流电机BDCM（Brushless DC Motor）用永磁体转子代替绕线式转子的励磁绕组，省却了励磁线圈、滑环、电刷等。将直流同步电机的定子永磁励磁改为永磁体转子励磁，直流电机的电枢电流改为定子三相绕组正、负方波电流，带有电子换相器，其

10、控制方式与交流伺服类似。四、交流伺服电机的矢量控制四、交流伺服电机的矢量控制直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩的控制容易，动态性好，而交流电机的电枢电流不容易得到，转矩的动态控制较困难，进行矢量控制的目的就是三相交流量两相交流量交流/直流变换逆变换等效直流量还原三相交流量实现转矩和转速控制五、交流伺服驱动系统的选择五、交流伺服驱动系统的选择 5. 3 5. 3 伺服机械传动系统设计伺服机械传动系统设计一、系统方案确定一、系统方案确定典型的开环控制位置伺服系统是数控机床的伺服进给系统、数控x、y工作台、机器人的关节移动等。其结构原理如图所示：包括开环伺服传动系统设计和闭环伺服传动系统设计，重点介

11、绍前者PC机驱动器执行元件传动机构执行机构方案确定实质是对上述各构成环节的选择设计 开环伺服系统中可以采用步进电机、液压伺服阀控制的液压马达和液压缸、气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等作为执行元件，其中步进电机应用最广泛，当负载能力不够时，考虑后者。 总之，要考虑负载能力、调速范围、体积、成本等因素。 传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的传动机构有： 丝杠螺母传动同步齿型带传动齿轮齿条传动直线电机传动最常用步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形

12、式：采用同步齿型带传动丝杠：中心距较大通过减速器传动丝杠：减速器作用是配凑脉冲当量、转矩放大、 惯量匹配等通过联轴器直接相连：结构简单，可获得高速，对电机负载能 力要求较高 执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向机构，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即二、开环伺服机械系统设计计算二、开环伺服机械系统设计计算导轨的选择：滚动导轨气浮导轨、液体导轨塑料贴面滑动导轨包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等的选择和设计根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取 =0.005-0.01mm/pulse 初选步进电机指：选择步进电机的类型和步矩角

13、混合式：兼以上二者优点，但价格高反应式： 小、f 高、价格低，功耗大永磁式： 大、f 低，功耗小，断电后仍有制动力矩按产品样本中给出的主要技术参数选用传动比公式：360pi 计算出的传动比较小时，采用一级齿轮传动或同步带传动传动比较大时，采用多级齿轮传动齿轮传动级数增加时，使齿隙和静摩擦增加，传动效率降低，故传动级数一般不超过3级。 传动级数的分配原则：传动比逐级增加（或前小后大原则），使输出轴转角误差最小。计算时，按P104，级数选择曲线和传动比分配曲线为选择步进电机动力参数及进行系统动态分析做基础圆柱体转动惯量计算公式：圆柱体转动惯量计算公式：324ldJ22)2(1(21pJJiJJJM

14、szzmdipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00max5 . 03 . 0maxmsTT根据启动频率特性曲线：Tq 对应的 fqmax ，实际运行的fq fqmax根据运行频率特性曲线：TL 对应的 fmax ，实际运行的f fmax电机轴上的总等效转动惯量与电机轴自身的转动惯量应控制在：小惯量电机（Jm=0.00005kgm2）大惯量电机（Jm=0.1-0.6kgm2） 141mdJJ31mdJJ比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车。通过减速传动比i和丝杠导程p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质

15、量系统传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统图示图示 丝杠副传动系统的力学模型丝杠副传动系统的力学模型m2KBKCminKBRKNKNR传动系统的传动刚度为：传动系统的传动刚度为：NRNCBRBKKKKKK1111211minmin此公式计算的主要是此公式计算的主要是，而丝杠本身的，而丝杠本身的比拉压刚度大的比拉压刚度大的多，一般不予考虑多，一般不予考虑)/(324radmNlGdKTG为切变摸量死区误差又称之为失动量，指启动或反向时，系统的输入与输出死区误差又称之为失动量，指启动或反向时，系统的输入与输出运动间的差值运动间的差值产生死区误差的原因产生死区误差的原因电气系统和执行

16、元件的启动死区（不灵敏区）传动机构中的间隙导轨副间的摩擦力由综合拉压刚度而产生的死区误差：由综合拉压刚度而产生的死区误差：min0KFF为轴向负载力由于传动刚度变化引起定位误差为：由于传动刚度变化引起定位误差为：)11(max0min0KKFk对于开环系统对于开环系统)5131(k为系统允许的定位精度固有频率的计算公式为：固有频率的计算公式为：mKnminm m 是工作台质量或2131mmm工作台丝杠三、开环伺服机械系统误差分析三、开环伺服机械系统误差分析步进电机的步距误差，一般在步进电机的步距误差，一般在 左右，突然启动时有滞后，左右，突然启动时有滞后， 停止时有超前，从整个系统的误差看，这

17、一误差较小，通常忽略不计；停止时有超前，从整个系统的误差看，这一误差较小，通常忽略不计；51 齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差；齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差；滚珠丝杠副的轴向间隙产生误差，而且由于综合拉压滚珠丝杠副的轴向间隙产生误差，而且由于综合拉压 刚度不足，会产生传动误差；刚度不足，会产生传动误差；联轴器、齿型带传动和谐波齿轮传动等都会对系统造成联轴器、齿型带传动和谐波齿轮传动等都会对系统造成 传动误差。传动误差。1、机械校正：、机械校正：提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转动惯量、提高传动刚度、提高固有频

18、率等；动惯量、提高传动刚度、提高固有频率等；2、电子校正：、电子校正：反向死区补偿：反向死区补偿： 利用反向死区补偿电路调整拨码开关进行补偿，补偿电路利用反向死区补偿电路调整拨码开关进行补偿，补偿电路电路具有自动判断方向的改变，并在反向时发出补偿命令的功能，补偿脉电路具有自动判断方向的改变，并在反向时发出补偿命令的功能，补偿脉冲可以达到几百个。冲可以达到几百个。例例: 测量得到的反向死区误差为测量得到的反向死区误差为0.016mm0.016mm，系统的脉冲当量为，系统的脉冲当量为0.005mm/pulse,0.005mm/pulse,试问拨码开关应预置到哪一档才能实现死区的补偿？试问拨码开关应

19、预置到哪一档才能实现死区的补偿？数字仿真误差校正：数字仿真误差校正： 预先将误差的数学模型输入计算机，计算机一边输预先将误差的数学模型输入计算机，计算机一边输出工作指令，一方面计算误差，输出校正指令，形成附加运动，用以校正出工作指令，一方面计算误差，输出校正指令，形成附加运动，用以校正位移误差。位移误差。反馈补偿误差校正：反馈补偿误差校正： 采用反馈补偿型的开环控制系统减小系统的误差，采用反馈补偿型的开环控制系统减小系统的误差，提高精度。提高精度。拨码开关应预置到拨码开关应预置到3 3档，消除误差为档，消除误差为 3 3* *0.005=0.015mm0.005=0.015mm反馈补偿型的开环

20、控制系统原理如下：反馈补偿型的开环控制系统原理如下：步进电机M驱动器驱动器指令指令脉冲脉冲混合器混合器脉冲脉冲补偿补偿感应同步器感应同步器测试器测试器e=se=s机机-s-s电电补偿脉冲补偿脉冲四、闭环伺服机械系统设计计算四、闭环伺服机械系统设计计算采用步进细分电路校正误差：采用步进细分电路校正误差： 实质上是减小了步进电机的步距角即角脉实质上是减小了步进电机的步距角即角脉冲当量，使转子达到新稳定点时的动能减小，振动减小，精度提高，特别冲当量，使转子达到新稳定点时的动能减小，振动减小，精度提高，特别是提高了低速时的平滑性。是提高了低速时的平滑性。交流伺服电机和直流伺服电机各有其有特点，根据系统

21、要求确定，对于伺服进给系统而言，要求伺服电机具有：v调速范围宽且稳定，速比大，低速（0.1r/min）时,速度稳定性仍好；v负载特性硬（受负载冲击，速度稳定性好），过载能力强；v响应速度快，从零转速到1500r/min，时间在0.2s内，角加速度达400rad/s2v能够频繁启动、制动、反转、加减速等。德国：SIEMENS公司、INDRAMAL公司等 美国：AB公司、PARKER公司 法国：ALSTHOM公司 由实验可得到各种导轨的等价阻尼比，同时考虑系统的速度、稳定性、润滑、材料等。静压导轨：0.02滑动导轨：0.02-0.3滚动导轨：0.02-0.05n根据控制精度及系统稳定性的要求，一般

22、取 k= 815/s由系统增益和导轨阻尼比，初步确定满足系统稳定性要求所需的机械传动链固有频率 为：n2kn五、丝杠工作台的简化模型五、丝杠工作台的简化模型这一环节的计算与开环系统类似，主要包括： v机械传动方案选择；v初选丝杠直径；v计算总传动比；v计算等效转动惯量，并验算惯量匹配；v计算传动系统综合拉压刚度，并计算固有频率，校验是否满足系统对 固有频率的要求。 计算出某项不符合要求时，重新设计计算。图示图示 丝杠工作台系统的动力学模型丝杠工作台系统的动力学模型mKxcy动力学平衡方程为:0)(22xykdtdycdtdym式中:m 是丝杠工作台的等效集中质量2131mmmc 是丝杠工作台导轨的粘性阻尼系数k 是丝杠螺母机构的综合拉压刚度