精密仪器设计13第六章1

1、第六章 精密伺服系统设计 了解精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步骤。内 容6.1 概述6.2 开环伺服控制系统设计6.3 闭环伺服控制系统设计6.1 概 述一、伺服系统概念二、伺服系统的基本结构三、伺服系统的类型四、伺服系统的基本要求五、伺服系统设计方法及步骤一、伺服系统概念伺服系统（随动系统）：是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。 例：数控工作台伺服系统组成部分：数字控制驱动、机械执行、检测装置等。二、伺服系统的基本结构 1、数字控制驱动装置2、机械执行装置 3、检测装置

2、 （1）驱动电路将指令信号转换为执行元件的驱动信号。（2）执行元件一种能量转换装置，在驱动信号的驱动下，输出机械执行机构所需的机械能，使之完成特定的任务。 将输入的控制信号进行处理，转化为执行元件输出的速度、位移、力等，包括的功能元件有： 执行元件 伺服系统中，常用的执行元件主要有如下几类： a.电气式：步进电动机，直、交流伺服电动机，将电能机械能。它是现代精密仪器中最常用的类型。b.液压式：液压缸、液压马达等。输出功率大，动作平稳。但需要相应的液压源，占地面积大，容易漏油而污染环境，控制性能不如伺服电机。c.气压式：气缸、气马达等。气源方便，成本低，动作快，但输出功率小，体积大，工作噪声大，

3、且难于伺服控制。伺服系统对执行元件的要求 1.惯性小、动力大。2.体积小、重量轻。3.便于计算机控制。4.成本低、可靠性好。 目前大多数执行元件都已形成系列产品，有专门厂家生产，设计时只需根据要求合理选用。对于不同的执行元件，其工作原理、所需的驱动信号不同，其对应的驱动线路是不同的。二、伺服系统的基本结构 1、数字控制驱动装置 2、机械执行装置3、检测装置 二、伺服系统的基本结构 1、数字控制驱动装置 2、机械执行装置伺服系统的控制对象，是直接实现系统功能的主体，其行为的质量影响系统的性能。包括：传动机构、导向机构和（或）执行机构。 3、检测装置 二、伺服系统的基本结构 1、数字控制驱动装置

4、2、机械执行装置3、检测装置 二、伺服系统的基本结构 1、数字控制驱动装置 2、机械执行装置3、检测装置包括传感器及其信号转换电路。提取执行装置的运动状态信号，转换为控制装置的接收信号，与指令信号相比较，控制机械执行装置的运动。 三、伺服系统类型元件：电气伺服系统、液压伺服系统、电气液压伺服系统、电气气动伺服系统等； 输出量：速度或加速度伺服系统，位置伺服系统等；信号：模拟式伺服系统、数字式伺服系统；结构：单回路伺服系统、多回路伺服系统；开环伺服系统、闭环伺服系统。按结构： 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统 三、伺服系统类型按控制技术： 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统 三

5、、伺服系统类型按控制技术： 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统 三、伺服系统类型三、伺服系统类型按控制点特点： 点位控制系统 连续控制系统 只控制点与点间的位置，对于运动轨迹没有严格限定，常用的有精密定位工作台。 三、伺服系统类型按控制点特点： 点位控制系统 连续控制系统 同时控制两个或两个以上坐标轴的瞬时位置和移动速度，以实现平面或空间曲线运动。四、伺服系统的基本要求1、稳定性2、精度3、快速响应性作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。稳定性伺服系统的稳定性取决于系统结构参数，如：惯性、刚度、阻尼、增

6、益等，与外界信号的性质或形式无关。系统稳定性分析可根据系统的传递函数，采用各种自动控制理论所提供的各种方法来判断。系统不稳定的表现：外界干扰指令信号作用下，输出信号不稳定、过渡过程随时间增加而增长，或表现为等幅振荡，低速下爬行。四、伺服系统的基本要求1、稳定性2、精度3、快速响应性输出量与输入指令的精确程度。可以用输出量与输入量的偏差来衡量 。影响系统精度的因素 1、元件本身的误差：如传感器、伺服放大器、机械装置等。2、输入信号的形式：如脉冲信号，方波、三角波、正（余）弦波。3、系统的结构形式：如元器件的联接形式、不同的线路和机械结构。1、元件本身的误差2、输入信号的形式3、系统的结构形式四、

7、伺服系统的基本要求1、稳定性2、精度3、快速响应性反映系统的动态性能。其有两方面含义：快速响应性的含义一是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号变化的迅速程度。其衡量参数为系统上升时间。 二是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号结束的迅速程度。其衡量参数为系统调整时间。上升时间系统在阶跃信号作用下，输出响应从零上升到稳定态值所需的时间。 上升时间主要取决于系统的阻尼比：阻尼比越小，上升时间越短。 但阻尼比太小将导致最大超调量（系统输出响应的最大值与稳态值的偏差）和调整时间加大，而影响系统的稳定性。 调整时间系统的输出响应达到并保持其稳态值的一个允许的误差范围内所需要的时间。 调整时间取决于系

8、统的阻尼比和固有频率：减少调整时间增大； 一定，增大调整时间减少。四、伺服系统的基本要求1、稳定性2、精度3、快速响应性系统的稳定性、精度、快速响应性的要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时，要首先考虑系统的稳定性，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。其它要求：如调速范围，负载能力，可靠性，寿命，体积，质量以及成本等方面的需求。五、伺服系统设计方法及步骤 伺服系统要求各异，类型繁多，从而决定了其结构的复杂性。不同的设计方法，决定了其设计过程的复杂性。往往伺服系统的设计要经过多次反复修改和调试才能获得较满意的结果，很难一次成功。1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执

9、行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案五、伺服系统设计方法及步骤 首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用场合和目的、基本性能指标及其它性能指标，然后根据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比，选定一种比较合理的方案。 方案设计应包括：控制方式选择；执行元件选择；传感器及其检测装置选择；机械传动及执行机构选择等。 方案设计是系统设计的第一步，各构成环节的选择只是初步的，还要在详细设计阶段进一步修改确定。1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7

10、、系统测试实验8、系统设计定案五、伺服系统设计方法及步骤 方案设计出来后，尽管各具体结构参数还没有确定，也应根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。 首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对传递函数及方框图进行化简(一般应简化成二阶以下系统)，然后在此基础上对系统稳定性、精度及快速响应性进行初步分析，其中最主要的是稳定性分析，如不能满足设计要求，应考虑修改方案或增加校正环节。 1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案五、伺服系统设计方法及步骤 方案设计中只是对执行元件及传感器

11、进行了初步选型，这一步应根据具体速度、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。1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案五、伺服系统设计方法及步骤 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种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在设计执行机构的导轨时要防止会产生“爬行”现象。1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定

12、案五、伺服系统设计方法及步骤 控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电动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选择及与机械系统参数的匹配，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。五、伺服系统设计方法及步骤1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 所有结构参数确定之后，可重新列出系统精确的传递函数，但实际的伺服系统一般都是高阶系统，因而还应进行适当化简，才可进行性能复查。经过复

13、查如发现性能不够理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，甚至重新设计，直到满意为止。五、伺服系统设计方法及步骤1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7、系统测试实验8、系统设计定案 上述设计与分析都还处于理论阶段，实际系统的性能，还需通过测试实验来确定。测试实验可在模型实验系统上进行，也可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。 五、伺服系统设计方法及步骤1、设计要求分析，系统方案设计2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择4、机械系统设计5、控制系统设计6、系统性能复查7

14、、系统测试实验8、系统设计定案 经过上述7个步骤及其中多次反复而得到满意的结果后，可以将设计方案确定下来，然后整理设计图样及设计计算说明书等技术文件，准备投入正式生产。6.2 开环伺服控制系统设计一、执行元件类型及特点二、步进电机原理三、步进电机的驱动控制系统四、步进电机主要性能参数 五、开环控制的伺服系统设计 一、执行元件类型及特点1、步进电机的种类2、步进电机的型号1、步进电机的种类 按转子结构分为三种：反应式(VR，Variable Reluctance）永磁式(PM，Permanent Magnet)混合式(HB,Hybrid) 按励磁相数分：有二、三、四、五相等步进电机 按运转方式分

15、：有旋转式步进电机和直线式步进电机 反应式步进电机利用磁阻转矩转动，结构简单，步矩角小，性价比高，应用广泛，但动态性差。 永磁式步进电机用永久磁钢作为电机的定子或转子，电磁阻尼大，步矩角大，启动频率低，功率小。 混合式步进电机在永磁和变磁阻原理共同作用下，输出转矩大，步矩角小，结构复杂，成本高。2、步进电机型号42BF105励磁绕组相数或代号反应式(BY永磁式、BYG混合式)步进电机电机外壳尺寸（mm)57BYG25057BYGH210(2相, 4V, 2.4A, 1.6, 1.8)二、步进电动机原理1、工作原理2、特点 1、工作原理步进电动机 （以反应式三相步进电动机为例）将脉冲信号转换为相

16、应的角位移的电磁装置。组成：转子：带齿的铁心 （四个等距齿）定子：三对绕有线圈的磁极，六个磁极；相对磁极为一相三相。当线圈中通以直流电时，就会产生磁场。工作过程当三对磁极的绕组依次轮流通电，则三对磁极就会依次轮流产生磁场吸引转子转动。定子各相轮流通电状态改变一次，转子转过一个角度步距角。 “一步” 30工作过程转子40个齿，转子的齿距角：360/40=9。定子每相磁极5个齿，齿距宽度与转子一样，相邻两个齿的夹角9 。当A相磁极与转子的齿对齐时， B、C相磁极出现错齿：B相磁极中心线上应是m(=120/9=133)号齿，即B相磁极的齿与转子齿相差3，C相磁极中心线上应是n(= 240/9=266

17、)号齿，即C相磁极的齿与转子齿相差6。步距角3通电顺序 按ABCABCA顺序轮流通电，步进电机就一步步按逆时针方向旋转。按ACBACBA.顺序通电，则步进电机顺时针旋转。控制方式 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。单三相双三拍三相六拍控制方式 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。单三相：每次只有一相绕组通电，每个分配周期共有三种不同的通电状态“三相三拍”。缺点：每次只有一相绕组通电，在绕组通电切换的瞬间，电动机将失去自锁转矩，容易造成失步。双三拍三相六拍控制方式 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。单三相双三拍三相六拍控制方式 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。单三相双三拍：ABB

18、CCAAB，每次有二相绕组同时通电，且切换时总有一相保持通电，工作比较稳定。三相六拍控制方式 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。单三相双三拍三相六拍控制方式 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。单三相双三拍三相六拍： A AB B BC C CA A,A AC C CB B BA A 。每次改变通电状态，电机转15。优点：增大了步进电机的稳定区域，工作稳定，改善了步进电机的性能，因此很常用。、特点 （1）易于控制（2）输出转角精度高（3）效率低（4）没有过载能力、特点 （1）易于控制：以脉冲信号控制，（2）输出转角精度高（3）效率低（4）没有过载能力角位移： 转向： 速度： 制动（定位）：、特点 （1）易于控制：以脉冲信号控制，（2）输出转角精度高（3）效率低（4）没有过载能力角位移：与脉冲个数成正比，它受脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，改变一次绕组的通电状态，电机转过一步（步距角）。 转向：通电顺序，改变绕组的通电顺序，转子的旋向随之改变。 速度：脉冲频率，决定绕组通电状态的变化频率转子的转速。 制动（定位）：一旦停止送入脉冲，只要保持控