第2章：伺服系统的稳态设计ppt课件

1、 2.1 2.1 设设 计计 概概 述旧版书：述旧版书：5 15 1 2.1.1 2.1.1 速速 度度 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.2 2.1.2 位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.3 2.1.3 设设 计计 步步 骤骤 2.2 2.2 负负 载载 的的 分分 析析 计计 算旧版书：算旧版书：5 25 2 2.2.1 2.2.1 几几 种种 典典 型型 负负 载载 2.2.2 2.2.2 负负 载载 的的 折折 算算 2.2.3 2.2.3 负负 载载 的的 综综 合合 计计 算算 2.3 2.

2、3 执执 行行 元元 件件 的的 选选 择旧版书：择旧版书：5 35 3 2.3.1 2.3.1 执执 行行 元元 件件 概概 述述 2.3.2 2.3.2 执执 行行 电电 机机 的的 选选 择择 2.4 2.4 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择旧版书：第二章、择旧版书：第二章、 5 4 5 4 2.4.1 2.4.1 伺伺 服服 系系 统统 的的 测测 速速 与与 测测 角角 2.4.2 2.4.2 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择择 和和 设设 计计 2.5 2.5 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.5.1

3、 2.5.1 概概 述述 2.5.2 2.5.2 相相 敏敏 整整 流流 电电 路路 2.5.3 2.5.3 振振 幅幅 调调 制制 线线 路路 2.5.4 2.5.4 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制 (PWM) (PWM) 线线 路路 2.6 2.6 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.6.1 2.6.1 功功 率率 放放 大大 装装 置置 概概 述述 2.6.2 2.6.2 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 与与 选选 择择 2.7 2.7 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计旧版书：计旧版书：5 45

4、 4第二章第二章 伺服系统的稳态设计伺服系统的稳态设计2 . 1 2 . 1 设 计 概 述设 计 概 述 速度控制系统和位置控制系统的共同速度控制系统和位置控制系统的共同特点是：经过系统的执行元件直接或经机特点是：经过系统的执行元件直接或经机械传动安装带动被控对象，完成要求的机械传动安装带动被控对象，完成要求的机械运动。械运动。 因此工程上对它们的技术要求，主要因此工程上对它们的技术要求，主要是围绕着机械运动的规律和运动参数的要是围绕着机械运动的规律和运动参数的要求。求。2.1 2.1 设计概述设计概述 2.1 2.1 设设 计计 概概 述旧版书：述旧版书：5 15 1 2.1.1 2.1.

5、1 速速 度度 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.2 2.1.2 位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.3 2.1.3 设设 计计 步步 骤骤 2.2 2.2 负负 载载 的的 分分 析析 计计 算旧版书：算旧版书：5 25 2 2.2.1 2.2.1 几几 种种 典典 型型 负负 载载 2.2.2 2.2.2 负负 载载 的的 折折 算算 2.2.3 2.2.3 负负 载载 的的 综综 合合 计计 算算 2.3 2.3 执执 行行 元元 件件 的的 选选 择旧版书：择旧版书：5 35 3 2.3.1 2.

6、3.1 执执 行行 元元 件件 概概 述述 2.3.2 2.3.2 执执 行行 电电 机机 的的 选选 择择 2.4 2.4 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择旧版书：第二章、择旧版书：第二章、 5 4 5 4 2.4.1 2.4.1 伺伺 服服 系系 统统 的的 测测 速速 与与 测测 角角 2.4.2 2.4.2 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择择 和和 设设 计计 2.5 2.5 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.5.1 2.5.1 概概 述述 2.5.2 2.5.2 相相 敏敏 整整 流流 电电 路路 2.

7、5.3 2.5.3 振振 幅幅 调调 制制 线线 路路 2.5.4 2.5.4 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制 (PWM) (PWM) 线线 路路 2.6 2.6 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.6.1 2.6.1 功功 率率 放放 大大 装装 置置 概概 述述 2.6.2 2.6.2 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 与与 选选 择择 2.7 2.7 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计旧版书：计旧版书：5 45 4第二章第二章 伺服系统的稳态设计伺服系统的稳态设计2.1.1 2.1.1 速度控制系统

8、通常的技术要求速度控制系统通常的技术要求 速速 度度 调调 节节 要要 求求 ：可可 逆逆 性性 要要 求：单求：单 向向 调调 速、可速、可 逆逆 调调 速速平平 滑滑 性性 要要 求：有求：有 级级 调调 速、无速、无 级级 调调 速速延续性要求：调速是延续的还是容延续性要求：调速是延续的还是容 许许 有有 间间 歇歇 的的 。2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.1 2.1.1 速度控制系统通常的技术要求速度控制系统通常的技术要求minminmaxmaxminminmaxmaxminminmaxmaxV VV V D Dn nn n 2. 系 统 输 出 轴 要 求 ：最 大 转 速：

9、nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s)最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s)调 速 范 围 D：2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.1 2.1.1 速度控制系统通常的技术目的要求速度控制系统通常的技术目的要求1 10 00 0n nn nn n 0 00 0 3. 系 统 输 出 轴 上 负 载 力 矩 变 化 时 ，控 制 精 度 技 术 指 标 ：转 速 降 n ：n = n0 n 其 中：n0 - 控 制 信 号 一 定 的 情 况 下 ， 理 想 的 空 载 转 速 n - 控 制 信 号 一 定 的 情

10、况 下 ， 满 载 时 的 转 速静 差 率 ： = 100100n nn n0 02.1 2.1 设计概述设计概述v或或2.1.1 2.1.1 速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 4. 阶 跃 输 入 下 系 统 的 动 态 响 应 特 性 ：最 大 超 调 量 %调 节 时 间 ts：偏 差 在 5 或 2 范 围振 荡 次 数 N2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.1 2.1.1 速度控制系统通常的技术要求速度控制系统通常的技术要求 5. 5. 负负 载载 扰扰 动动 下下 的的 动动 态态 响响 应应 特特 性性 ：

11、 阶阶 跃跃 扰扰 动动 或或 脉脉 冲冲 扰扰 动动 下下 ，最最 大大 转转 速速 降降 nmax(nmax(或或 maxmax或或Vmax)Vmax)调调 整整 时时 间间 tsf tsf 2.1 2.1 设计概述设计概述2 . 1 . 1 2 . 1 . 1 速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 6. 其 它 要 求 ：工 作 制 的 要 求 ：长 期 连 续 运 行 制 、间 歇 运 行 制 、 短 时 运 行 制 。系 统 可 靠 性 要 求 ：通 常 用 连 续 运 行 无 故 障 时 间 来 衡 量 。使 用 寿

12、命使 用 环 境 条 件 ：环 境 温 度 、湿 度 、振 动 、抗 冲 击 、防 水 、防 化 、防 辐 射 、电 源 条 件 的 限 制经 济 性 要 求 ：生 产 成 本 、标 准 化 程 度结 构 型 式 要 求 ：体 积 、质 量 、安 装 特 点 等2.1 2.1 设计概述设计概述 2.1 2.1 设设 计计 概概 述旧版书：述旧版书：5 15 1 2.1.1 2.1.1 速速 度度 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.2 2.1.2 位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.3 2.1.3 设设 计

13、计 步步 骤骤 2.2 2.2 负负 载载 的的 分分 析析 计计 算旧版书：算旧版书：5 25 2 2.2.1 2.2.1 几几 种种 典典 型型 负负 载载 2.2.2 2.2.2 负负 载载 的的 折折 算算 2.2.3 2.2.3 负负 载载 的的 综综 合合 计计 算算 2.3 2.3 执执 行行 元元 件件 的的 选选 择旧版书：择旧版书：5 35 3 2.3.1 2.3.1 执执 行行 元元 件件 概概 述述 2.3.2 2.3.2 执执 行行 电电 机机 的的 选选 择择 2.4 2.4 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择旧版书：第二章、择旧版书：第二章、 5 4 5 4

14、2.4.1 2.4.1 伺伺 服服 系系 统统 的的 测测 速速 与与 测测 角角 2.4.2 2.4.2 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择择 和和 设设 计计 2.5 2.5 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.5.1 2.5.1 概概 述述 2.5.2 2.5.2 相相 敏敏 整整 流流 电电 路路 2.5.3 2.5.3 振振 幅幅 调调 制制 线线 路路 2.5.4 2.5.4 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制 (PWM) (PWM) 线线 路路 2.6 2.6 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和

15、选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.6.1 2.6.1 功功 率率 放放 大大 装装 置置 概概 述述 2.6.2 2.6.2 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 与与 选选 择择 2.7 2.7 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计旧版书：计旧版书：5 45 4第二章第二章 伺服系统的稳态设计伺服系统的稳态设计2.1.2 2.1.2 位置控制系统通常的技术要求位置控制系统通常的技术要求 速 度 调 节 要 求 ：平 滑 性 要 求：有 级 调 速、无 级 调 速可 逆 性 要 求：单 向 调 速、可 逆 调 速延续性要求：调速是延续的还是容 许 有 间 歇

16、的 。2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.2 2.1.2 位置控制系统通常的技术要求位置控制系统通常的技术要求 2. 系 统 输 出 轴 要 求 ：最 大 转 速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s)最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s)调 速 范 围 D：mmi in nmma ax xmmi in nmma ax xmmi in nmma ax xV VV V D Dn nn n2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.2 2.1.2 位置伺服系统通常的技术要 求位置伺服系统通常的技术要 求 3. 3. 系系

17、统统 静静 误误 差差 es ( es ( 系系 统统 静静 差差) ) 随动系统通常设计成无静差系统，随动系统通常设计成无静差系统，当系统静止协调时，没有位置误差。但实当系统静止协调时，没有位置误差。但实际系统存在非线性要素，如：测角元件际系统存在非线性要素，如：测角元件的分辨率有限、系统输出端机械运动部的分辨率有限、系统输出端机械运动部分存在干摩擦等等，都将给系统呵斥一分存在干摩擦等等，都将给系统呵斥一定定 的的 静静 误误 差差 。2.1 2.1 设计概述设计概述2 . 1 . 2 2 . 1 . 2 位 置 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求位 置 控 制 系 统 通 常 的

18、技 术 要 求 4. 4. 阶阶 跃跃 输输 入入 下下 系系 统统 的的 动动 态态 响响 应应 特特 性性 ：最最 大大 超超 调调 量量 % %调调 节节 时时 间间 ts ts：偏：偏 差差 在在 5 5 或或 2 2 范范 围围振振 荡荡 次次 数数 N N2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.2 2.1.2 位置控制系统通常的技术要求位置控制系统通常的技术要求 等 速 跟 踪 时，负 载 扰 动 下 的 动 态 响 应 特 性 ：最 大 误 差 角 em f过 渡 过 程 时 间 tsf 2.1 2.1 设计概述设计概述2 . 1 . 2 2 . 1 . 2 位 置 控 制 系

19、统 通 常 的 技 术 要 求位 置 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求VVeK 6. 6. 系系 统统 跟跟 踪踪 状状 态态 下下 的的 误误 差差 指指 标标 ：速度误差速度误差evev最大正弦误差最大正弦误差emem相相 对对 精精 度度 指指 标标 ： 速速 度度 品品 质质 系系 数数 Kv: (1/s) Kv: (1/s) 加加 速速 度度 品品 质质 系系 数数 Ka: Ka: (1/s2)(1/s2) aaeK2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.2 2.1.2 位置控制系统通常的技术要求位置控制系统通常的技术要求 7. 频 率 响 应 特 性 指 标 要 求振 荡

20、 指 标 Mp: 位 置 伺 服 系 统 闭 环 幅 频 特 性 A ( p ) 的 最 大 值 与 A(0) 的 比 值 ；(一 般 位 置 伺 服 系 统 无 静 差 ：A(0)=1 )频 带 宽 度 b: 闭 环 幅 频 特 性 A(b) = 0.707 时 的 角 频 率。相 角 储 量 2.1 2.1 设计概述设计概述2.1.2 2.1.2 位置控制系统通常的技术要求位置控制系统通常的技术要求 8. 8. 其其 它它 要要 求求 ：工工 作作 制制 的的 要要 求求 ：长：长 期期 连连 续续 运运 行行 制制 、间、间 歇歇 运运 行行 制制 、 短短 时时 运运 行行 制制 。系

21、系 统统 可可 靠靠 性性 要要 求求 ：通：通 常常 用用 连连 续续 运运 行行 无无 故故 障障 时时 间间 来来 衡衡 量量 。使使 用用 寿寿 命命使使 用用 环环 境境 条条 件件 ：环：环 境境 温温 度度 、湿、湿 度度 、振、振 动动 、抗、抗 冲冲 击击 、防、防 水水 、防、防 化化 、防、防 辐辐 射射 、电、电 源源 条条 件件 的的 限限 制制经经 济济 性性 要要 求求 ：生：生 产产 成成 本本 、标、标 准准 化化 程程 度度结结 构构 型型 式式 要要 求求 ：体：体 积积 、质、质 量量 、安、安 装装 特特 点点 等等2.1 2.1 设计概述设计概述 2

22、.1 2.1 设设 计计 概概 述旧版书：述旧版书：5 15 1 2.1.1 2.1.1 速速 度度 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.2 2.1.2 位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.3 2.1.3 设设 计计 步步 骤骤 2.2 2.2 负负 载载 的的 分分 析析 计计 算旧版书：算旧版书：5 25 2 2.2.1 2.2.1 几几 种种 典典 型型 负负 载载 2.2.2 2.2.2 负负 载载 的的 折折 算算 2.2.3 2.2.3 负负 载载 的的 综综 合合 计计 算算 2.3 2.3

23、执执 行行 元元 件件 的的 选选 择旧版书：择旧版书：5 35 3 2.3.1 2.3.1 执执 行行 元元 件件 概概 述述 2.3.2 2.3.2 执执 行行 电电 机机 的的 选选 择择 2.4 2.4 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择旧版书：第二章、择旧版书：第二章、 5 4 5 4 2.4.1 2.4.1 伺伺 服服 系系 统统 的的 测测 速速 与与 测测 角角 2.4.2 2.4.2 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择择 和和 设设 计计 2.5 2.5 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.5.1 2

24、.5.1 概概 述述 2.5.2 2.5.2 相相 敏敏 整整 流流 电电 路路 2.5.3 2.5.3 振振 幅幅 调调 制制 线线 路路 2.5.4 2.5.4 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制 (PWM) (PWM) 线线 路路 2.6 2.6 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.6.1 2.6.1 功功 率率 放放 大大 装装 置置 概概 述述 2.6.2 2.6.2 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 与与 选选 择择 2.7 2.7 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计旧版书：计旧版书：5 45 4

25、第二章第二章 伺服系统的稳态设计伺服系统的稳态设计2 . 1 . 3 2 . 1 . 3 伺 服 系 统 的 设 计 步 骤伺 服 系 统 的 设 计 步 骤一、调一、调 研研 1. 1. 选选 定定 伺伺 服服 系系 统统 各各 部部 件件 型型 号号 ； 2. 2. 确确 定定 各各 部部 件件 间间 接接 口口 方方 式式 ； 3. 3. 选选 择择 伺伺 服服 系系 统统 的的 控控 制制 方方 案案 ； 4. 4. 确确 定定 伺伺 服服 系系 统统 的的 主主 干干 线线 路路 、辅、辅 助助 线线 路路 及及 电电 源源二、理二、理 论论 设设 计计 1. 1. 稳稳 态态 设设

26、 计计 负负 载载 分分 析析 计计 算算 选选 择择 执执 行行 电电 机机 选选 择择 检检 测测 元元 件件 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择择 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择择 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择择 2. 2. 传传 递递 函函 数数 的的 推推 导导 3. 3. 动动 态态 设设 计计 希望希望 特特 性性 的的 绘绘 制制 设设 计计 校校 正正 环环 节节三、调三、调 试试2.1 2.1 设计概述设计概述 2.1 2.1 设设 计计 概概 述旧版书：述旧版书：5

27、15 1 2.1.1 2.1.1 速速 度度 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.2 2.1.2 位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.3 2.1.3 设设 计计 步步 骤骤 2.2 2.2 负负 载载 的的 分分 析析 计计 算旧版书：算旧版书：5 25 2 2.2.1 2.2.1 几几 种种 典典 型型 负负 载载 2.2.2 2.2.2 负负 载载 的的 折折 算算 2.2.3 2.2.3 负负 载载 的的 综综 合合 计计 算算 2.3 2.3 执执 行行 元元 件件 的的 选选 择旧版书：择旧版书：

28、5 35 3 2.3.1 2.3.1 执执 行行 元元 件件 概概 述述 2.3.2 2.3.2 执执 行行 电电 机机 的的 选选 择择 2.4 2.4 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择旧版书：第二章、择旧版书：第二章、 5 4 5 4 2.4.1 2.4.1 伺伺 服服 系系 统统 的的 测测 速速 与与 测测 角角 2.4.2 2.4.2 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择择 和和 设设 计计 2.5 2.5 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.5.1 2.5.1 概概 述述 2.5.2 2.5.2 相相 敏敏

29、 整整 流流 电电 路路 2.5.3 2.5.3 振振 幅幅 调调 制制 线线 路路 2.5.4 2.5.4 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制 (PWM) (PWM) 线线 路路 2.6 2.6 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.6.1 2.6.1 功功 率率 放放 大大 装装 置置 概概 述述 2.6.2 2.6.2 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 与与 选选 择择 2.7 2.7 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计旧版书：计旧版书：5 45 4第二章第二章 伺服系统的稳态设计伺服系统的稳态设计2.2

30、 2.2 负载的分析计算负载的分析计算2 . 2 . 1 2 . 2 . 1 几 种 典 型 负 载几 种 典 型 负 载 直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动干干 摩摩 擦擦 负负 载载粘粘 性性 摩摩 擦擦 负负 载载惯惯 性性 负负 载载干干 摩摩 擦擦 力力 Fc Fc N N: Fc = : Fc = |Fc| Sign V |Fc| Sign V 式中：式中： V - V - 负负 载载 线线 速速 度度干干 摩摩 擦擦 力力 矩矩 Mc Mc N mN m: Mc = : Mc = |

31、Mc| Sign |Mc| Sign 式中：式中： - - 负负 载载 角角 速速 度度粘粘 性性 摩摩 擦擦 力力 矩矩 Mb Mb N mN m: Mb = : Mb = b2 b2 式中：式中：b2 (N s m) b2 (N s m) 粘性摩擦系数粘性摩擦系数 惯惯 性性 力力 矩矩 MJ MJN mN m: MJ = J : MJ = J 式中：式中： rad/s2) - rad/s2) - 负负 载载 角角 加加 速速 度度粘粘 性性 摩摩 擦擦 力力 Fb Fb N N: Fb = b1 V : Fb = b1 V 式中：式中：b1(N s/m) b1(N s/m) 粘性摩擦系数

32、粘性摩擦系数惯惯 性性 力力 Fm Fm N N: Fm = m a : Fm = m a 式中：式中： a (m/s2) - a (m/s2) - 负负 载载 线线 加加 速速 度度1.1.2.2.3.3.2.2.1 2.2.1 几种典型负载几种典型负载直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动位位 能能 负负 载载弹弹 性性 负负 载载风风 阻阻 负负 载载重重 力力 W WN N: W = : W = m g m g 不不 平平 衡衡 力力 矩矩 MW MW N mN m弹弹 性性 力力 矩矩 Mk

33、 Mk N mN m: Mk = : Mk = k2 k2 式中：式中：k2 (N m/ rad ) k2 (N m/ rad ) 弹性摩擦系数弹性摩擦系数 角位移角位移风风 阻阻 力力 矩矩 Mt MtN mN m: Mt = : Mt = f2 2f2 2 式中：式中： f2 f2N m s2) N m s2) 风阻系数风阻系数 弹力弹力Fk (N): Fk = k1 LFk (N): Fk = k1 L 式中：式中：K1(N/m) K1(N/m) 弹性摩擦系数弹性摩擦系数 L (m) L (m) 线线 位位 移移风风 阻阻 力力 Ft Ft N N: Ft = : Ft = f1 V2

34、f1 V2 式中：式中： f1 f1 (N s2/m2) (N s2/m2) 风阻系数风阻系数4.4.5.5.6.6.2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算 2.1 2.1 设设 计计 概概 述旧版书：述旧版书：5 15 1 2.1.1 2.1.1 速速 度度 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.2 2.1.2 位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.3 2.1.3 设设 计计 步步 骤骤 2.2 2.2 负负 载载 的的 分分 析析 计计 算旧版书：算旧版书：5 25 2 2.2.1 2.2.1 几几

35、种种 典典 型型 负负 载载 2.2.2 2.2.2 负负 载载 的的 折折 算算 2.2.3 2.2.3 负负 载载 的的 综综 合合 计计 算算 2.3 2.3 执执 行行 元元 件件 的的 选选 择旧版书：择旧版书：5 35 3 2.3.1 2.3.1 执执 行行 元元 件件 概概 述述 2.3.2 2.3.2 执执 行行 电电 机机 的的 选选 择择 2.4 2.4 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择旧版书：第二章、择旧版书：第二章、 5 4 5 4 2.4.1 2.4.1 伺伺 服服 系系 统统 的的 测测 速速 与与 测测 角角 2.4.2 2.4.2 检检 测测 装装 置置

36、的的 选选 择择 和和 设设 计计 2.5 2.5 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.5.1 2.5.1 概概 述述 2.5.2 2.5.2 相相 敏敏 整整 流流 电电 路路 2.5.3 2.5.3 振振 幅幅 调调 制制 线线 路路 2.5.4 2.5.4 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制 (PWM) (PWM) 线线 路路 2.6 2.6 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.6.1 2.6.1 功功 率率 放放 大大 装装 置置 概概 述述 2.6.2 2.6.

37、2 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 与与 选选 择择 2.7 2.7 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计旧版书：计旧版书：5 45 4第二章第二章 伺服系统的稳态设计伺服系统的稳态设计2 . 2 . 2 2 . 2 . 2 负 载 的 折 算负 载 的 折 算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴 传传 动动多多 轴轴 传传 动动

38、2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算2 . 2 . 2 2 . 2 . 2 负 载 的 折 算负 载 的 折 算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴 传传 动动多多 轴轴 传传 动动2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算电电 机机负负 载载F= Fc + Fb + Fm = Fc+ b1v + ( md + mz ) a式中式中: F - : F

39、 - 电机轴遭到的合力电机轴遭到的合力 md - md - 电机动子质量电机动子质量 mz - mz - 负载质量负载质量2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算2 . 2 . 2 2 . 2 . 2 负 载 的 折 算负 载 的 折 算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴 传传 动动多多 轴轴 传传 动动2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算u 旋

40、 转 运 动旋 转 运 动电电 机机负负 载载M = Mc + MJ = Mc + (Jd + Jz)式中式中: M - : M - 电机轴遭到的合力电机轴遭到的合力矩矩 Jd - Jd - 电机转动惯电机转动惯量量 Jz - Jz - 负载转动惯负载转动惯量量2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算2 . 2 . 2 2 . 2 . 2 负 载 的 折 算负 载 的 折 算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传

41、 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴 传传 动动多多 轴轴 传传 动动2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算u 思 索 减 速 比思 索 减 速 比 i iz22z11z31z21z12z32123电电 机机负负 载载d = i zd = i zd = i zi = i1 i2 i3 式式 中：中： i1 、 i2、 i3 - 各各 级级 齿齿 轮轮 减减 速速 比比 i - 齿齿 轮轮 减减 速速 器器 总总 的的 减减 速速 比比2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算2.2.2 2.2.2 负载的折算负载的折算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传

42、传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴 传传 动动多多 轴轴 传传 动动2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算u 思 索 传 动 效 率思 索 传 动 效 率 z22z11z31z21z12z32123电电 机机负负 载载电机的输出功率与负载耗费功率相等电机的输出功率与负载耗费功率相等 M d d = M Z ZMd = -Md = -MZMZi d = i z2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计

43、算2.2.2 2.2.2 负载的折算负载的折算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴 传传 动动多多 轴轴 传传 动动2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算bzbdMbMbJzJdMJMJ2bbi 2JJi zddzdzdzMMiiii u 负载参数的折算负载参数的折算KzKdMKMK22fzfdMfMf2KKi 3ffi zddzdzdzMMiiii u

44、 负载参数的折算负载参数的折算zdMMi2223bbiJJiKKiffi dzdzdziii u 负载参数的折算负载参数的折算2 . 2 . 2 2 . 2 . 2 负 载 的 折 算负 载 的 折 算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴 传传 动动多多 轴轴 传传 动动2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算u 单 轴 传 动单 轴 传 动已已 知：负知

45、：负 载载 W = m g W = m g ，转，转 子子 转转 动动 惯惯 量量 Jd Jd ，辘，辘 轮轮 转转 动动 惯惯 量量 Jp Jp ，直，直 径径 2R 2R，电，电 机机 和和 辘辘 轮轮 的的 角角 速速 度度 为为 ，负，负 载载 线线 速速 度度 v = R v = Rl 提 升 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩提 升 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩l 下 降 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩下 降 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩l M=MJ-MW=(Jd+JP+mR2)2 -

46、WR M=MJ-MW=(Jd+JP+mR2)2 - WR电 机负 载 辘 轮WW2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算 M= M= M JM J +MW +MW= (Jd= (Jd + J P+ J P +mR2)1 +mR2)1 +WR+WR2 . 2 . 2 2 . 2 . 2 负 载 的 折 算负 载 的 折 算1. 单单 轴轴 传传 动动2. 多多 轴轴 传传 动动3.3.直直 线线 运运 动动 与与 旋旋转转 运运 动动 转转 换换直直 线线 运运 动动旋旋 转转 运运 动动考考 虑虑 减减 速速 比比 i考考 虑虑 传传 动动 效效 率率负载参数的折算负载参数的折算单单 轴轴

47、 传传 动动多多 轴轴 传传 动动2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算u 多 轴 传 动多 轴 传 动电 机负 载 辘 轮WWz22z11z31z21z12z32123假设假设 电电 机机 轴轴 与与 辘辘 轮轮 之之 间间 存存 在在 减减 速速比比 i i 和和 传传 动动 效效 率率 ，那么，那么 l 提 升 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩提 升 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩l M=MJ+MW = ( Jd + ) 1 + . M=MJ+MW = ( Jd + ) 1 + . i i2 22 2P PJ JR RJ J m mzd

48、MMiii22 2R RmmJ JP P iWRl 下 放 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩下 放 负 载 时 ， 电 机 轴 上 的 总 负 载 力 矩l M = M J - M W = ( J d + ) 2 - . M = M J - M W = ( J d + ) 2 - . i22 2R RmmJ JP P iWR2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算 2.1 2.1 设设 计计 概概 述旧版书：述旧版书：5 15 1 2.1.1 2.1.1 速速 度度 伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.2 2.1.2 位位 置置

49、伺伺 服服 系系 统统 通通 常常 的的 技技 术术 要要 求求 2.1.3 2.1.3 设设 计计 步步 骤骤 2.2 2.2 负负 载载 的的 分分 析析 计计 算旧版书：算旧版书：5 25 2 2.2.1 2.2.1 几几 种种 典典 型型 负负 载载 2.2.2 2.2.2 负负 载载 的的 折折 算算 2.2.3 2.2.3 负负 载载 的的 综综 合合 计计 算算 2.3 2.3 执执 行行 元元 件件 的的 选选 择旧版书：择旧版书：5 35 3 2.3.1 2.3.1 执执 行行 元元 件件 概概 述述 2.3.2 2.3.2 执执 行行 电电 机机 的的 选选 择择 2.4

50、2.4 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择旧版书：第二章、择旧版书：第二章、 5 4 5 4 2.4.1 2.4.1 伺伺 服服 系系 统统 的的 测测 速速 与与 测测 角角 2.4.2 2.4.2 检检 测测 装装 置置 的的 选选 择择 和和 设设 计计 2.5 2.5 信信 号号 转转 换换 电电 路路 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.5.1 2.5.1 概概 述述 2.5.2 2.5.2 相相 敏敏 整整 流流 电电 路路 2.5.3 2.5.3 振振 幅幅 调调 制制 线线 路路 2.5.4 2.5.4 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制 (

51、PWM) (PWM) 线线 路路 2.6 2.6 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 和和 选选 择旧版书：择旧版书：5 45 4 2.6.1 2.6.1 功功 率率 放放 大大 装装 置置 概概 述述 2.6.2 2.6.2 放放 大大 装装 置置 的的 设设 计计 与与 选选 择择 2.7 2.7 电电 源源 设设 备备 等等 装装 置置 的的 设设 计旧版书：计旧版书：5 45 4第二章第二章 伺服系统的稳态设计伺服系统的稳态设计2.2.3 2.2.3 负载的综合计算负载的综合计算负负 载载 运运 动动 有有 规规 律律负负 载载 运运 动动 没没 有有 固固 定定 规规 律律负载

52、力矩不仅与负载性质有关，还与运动情况有关。负载力矩不仅与负载性质有关，还与运动情况有关。2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算u 负 载 运 动 有 规 律负 载 运 动 有 规 律22m RM(J)Jdi 龙龙 门门 刨刨 床床 工工 作作 台台 的的 控控 制制 系系 统：统：执执 行行 电电 动动 机机 转转 子子 的的 转转 动动 惯惯 量量 Jd , Jd ,减减 速速 齿齿 轮轮 组组 的的 减减 速速 比比 i, i,与与 齿齿 条条 相相 啮啮 合合 的的 齿齿 轮轮 节节 圆圆 半半 径径 R , R ,总总 传传 动动 效效 率率 ，往，往 复复 运运 动动 部部 分

53、分 的的 总总 质质 量量 m , m ,干干 摩摩 擦擦 力力 Fc , Fc ,切切 削削 加加 工工 时时 的的 切切 削削 阻阻 力力 Fp , Fp ,其其 它它 因因 素素 可可 忽忽 略略 。例1齿条工工 件件任务台任务台刨刀电电 机机tMC(c)t0 0MP(d)MJ0 0t(e)M0 0t0 0(f)tt1t2t3t4t5t60 0(b) M=iRFMCCiRFMPP2.2 2.2 负载的分析计算负载的分析计算M C+MP +MJ)-()-()-()-()-(M)-(M)-(M)-(M)-(MMdxM56452412156264525342423231222121tttttt

54、tttttttttttttt考考 虑虑 实实 际际 加加 工工 过过 程程 往往 复复次数次数 多多 ，需，需 要要 检检 验验 执执 行行 电电 机机 的的 发发 热热 与与 温温 升升 ，为，为 此此 要要 计计 算算 一一 周周 内内 转转 矩矩 的的 均均 方根方根 值值 Mdx Mdx，这，这 主主 要要 由由 于于Q = I2 R t Q = I2 R t ，而，而 M = Km I M = Km I ，因此因此 考考 虑虑 Mdx Mdx 即即 可可 检检 验验 执执 行行 电电 机机 的的 温温 升升 与与 发发 热热 。M0 0t0 0(f)t t1 1t t2 2t t3

55、3t t4 4t t5 5t t6 6M M1 1M M2 2M M3 3M M4 4M M5 5M M6 6假设假设 考考 虑虑 到到 电电 机机 在在 起起 动动 、制、制 动动 过过 程程 中中 低低 转转 速速 时时 散散 热热 条条 件件 差差 ，故故 加加 权权 系系 数数 3秒，那么检验秒，那么检验MBM，否那么重选电机。，否那么重选电机。n 执 行 电 机 的 选 择 ：30mUUmUUM00MfdMldL0L0ABMBMA此时此时=求力矩电机的电势系数求力矩电机的电势系数过载检验：过载检验： Umax - 快速反转所加的电枢最大电压快速反转所加的电枢最大电压 max - 最大

56、角速度最大角速度 R - 电枢回路总电阻电枢回路总电阻 Km(Nm/A) - 电机转矩系数电机转矩系数 短 时 过 载 检 验短 时 过 载 检 验 RUI S/rad)(V UK0me2.3 2.3 执行元件的选择执行元件的选择fdmaxemaxIRKUIKMmfdmaxemaxmMRKUK式中：式中：要求要求b带宽带宽b的概念的概念闭环传送函数闭环传送函数 ，那么，那么 =b时，时，根据阅历公式：在根据阅历公式：在300600时，工程上近似有时，工程上近似有 b(1.22)C 动 态 检 验动 态 检 验2.3 2.3 执行元件的选择执行元件的选择假设系统动态目的提出要求：假设系统动态目的

57、提出要求：b, ttsb, ttsR(s)C(s)(s) )()(jRjC(j) 2)(j)(j0b| | |b|00 | | c c 与与 的 关 系的 关 系2.3 2.3 执行元件的选择执行元件的选择W(s)()()(jEjjWc)sin(icmctW ( s )W ( s )erce当当=c=c时时, ,1)()()(ccccjEjjW)()(ccccjEj)180tsin()180tsin(e0cm0c2mcc2mmceE(s)(s)c)()(jEjc41.44e2bmtimsine)sin(ecmttcmsinekzdcfd)J(JMMbczdmcfdk21.211.41.4)J(

58、JeMM M与与的 关 系的 关 系2.3 2.3 执行元件的选择执行元件的选择或或bczdmcek21.211.41.4)J(JeMM 力 矩 电 机 力 矩 电 机 普 通 电 机 普 通 电 机 Lkk k 在在 Bode Bode 图图 上上 的的反反 映映 如如 右右 图图 所所 示，示，电电 机机 的的 饱饱 和和 特特 性性为为 一一 条条 - 40dB/dec - 40dB/dec 的的 直直 线。线。2kmzdce)J(JM 假设系统要求过渡过程时间假设系统要求过渡过程时间ttsttssczdmcfdkt1491.4)J(JeMM2.3 2.3 执行元件的选择执行元件的选择根

59、 据根 据sctk式中：式中：2pp1)2.5(M1)1.5(M2k8 . 1, 1 . 1 pM106ksczdmcekt1491.4)J(JeMM或或sctkt只只 有有 经经 过过 稳稳 态态 检检 验验 、短、短 时时 过过 载载 检检 验验 和和 动动 态态 检检 验验 等等 几几方方 面面 的的 检检 验验 均均 满满 足足 要要 求求 时时 ， 可可 认认 为为 所所 选选 电电 机机 满满 足足 要要 求求 ，否否 那么那么 重重 选选 电电 机机 ！2.3 2.3 执行元件的选择执行元件的选择2 . 3 . 2 2 . 3 . 2 执 行 电 机 的 选 择执 行 电 机 的

60、 选 择 单单 轴轴 传传 动动 系系 统统 电电 机机 的的 选选 择择一一 般般 高高 速速 电电 机机 的的 选选 择择低低 速速 力力 矩矩 电电 机机 的的 选选 择择 多轴传动普通高速执行电机的选择多轴传动普通高速执行电机的选择2.3 2.3 执行元件的选择执行元件的选择2 . 多 轴 传 动 系 统 电 机 的 选 择多 轴 传 动 系 统 电 机 的 选 择简 单 初 选简 单 初 选验算验算负负 载载 通通 常常 给给 定定 技技 术术 要要 求求 ：m、m、ec、ev、ea、em、JZ、MC、tsu 简单初选简单初选m2zdci)iJ(JiMM2.3 2.3 执行元件的选择