现代交流伺服系统 课件 第3章 伺服驱动的负载机械特性

第3章伺服驱动的负载机械特性

内容提要3.1旋转体的运动方程3.2负载的转矩特性3.3几种典型的非线性现象3.4机械谐振3.5机械刚度与伺服刚度3.6机械负载的折算与匹配伺服驱动的负载机械特性13.1旋转体的运动方程内容提要3.1.1转速3.1.2转矩3.1.3功3.1.4功率3.1.5动能和惯量3.1.6运动方程式2

3.1.1

转速3

3.1.2

转矩4

3.1.3

功5

3.1.4

功率6

3.1.5

动能和惯量7

3.1.5

动能和惯量图3-1用变速机构连接的旋转体1－交流伺服电机2－负载8

3.1.5

动能和惯量9图3-1用变速机构连接的旋转体1－交流伺服电机2－负载

3.1.5

动能和惯量

图3-2直线运动体的惯量1－AC伺服电动机2－滚筒10

3.1.5

动能和惯量11

3.1.5

动能和惯量图3-3牵引丝杠驱动的物体1－电机2－小齿轮3－大齿轮4－丝杠12

3.1.5

动能和惯量13

3.1.6

运动方程式143.2负载的转矩特性内容提要3.2.1恒转矩负载3.2.2流体类负载3.2.3恒功率负载15驱动机械运动的交流永磁伺服电动机的典型运动方式如图3-4所示。交流伺服电动机从静止的零速开始起动，一直加速到所规定的速度，并以此速度运行。当电动机接到停止命令时，交流伺服电动机就从工作速度开始减速，直到停止。3.2负载的转矩特性图3-4电机的运动方式16

按机械负载在工作过程中所呈现出来对电动机转矩的要求，大致可分为三大类型负载。图3-5电磁转矩和负载转矩之间的关系173.2负载的转矩特性在恒转矩负载中，负载转矩不随负载的运动速度变化而变化，负载的功率则随着速度的变化而变化，速度高则功率线性增大，速度低则功率线性降低。这类负载的典型代表有机床的进给机构；卷扬机卷取重物等都是恒转矩的典型，另外，像汽车生产线上螺栓拧紧机构，饮料生产线上瓶盖拧紧动作等，也是恒转矩负载的应用。这种负载特性是很多应用场合的要求。3.2.1

恒转矩负载18流体类负载的转矩与速度的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比，风机、水泵就是这类负载的典型代表。3.2.2流体类负载19恒功率负载的特点是转矩与转速成正比，但转矩与转速的乘积所代表的功率却近似保持不变，可视为一个常数。这类负载的典型代表有金属切削机床的主轴驱动和卷取机等。由图3-6知，交流伺服电动机的转矩-转速特性是一条直线，即转矩是一个常数。所以，交流伺服电动机特别适用于驱动机床进给轴这类恒转矩负载。3.2.3恒功率负载图3-6负载的种类和转矩与速度特性20c）恒功率负载a）恒转矩负载

b）流体负载

213.2.3恒功率负载

223.2.3恒功率负载

233.2.3恒功率负载

图3-7切削阻力的分力1－被加工工件2－车刀243.2.3恒功率负载

253.2.3恒功率负载图3-7切削阻力的合力1－被加工工件2－车刀

263.2.3恒功率负载

273.2.3恒功率负载3.3几种典型的非线性现象内容提要3.3.1死区现象分析3.3.2饱和现象3.3.3间隙现象的分析3.3.4摩擦分析28

3.3几种典型的非线性现象a）b）c）d）

图3-8伺服系统可能存在的几种典型非线性特性29由于电动机轴都存在着摩擦力矩和负载力矩，因此当输入电压达到一定数值时，电动机才能转动，即存在所说的不灵敏区，而当输入电压超过一定值时，电机的转速就不再升高，出现了饱和现象，见图3-8c）。3.3几种典型的非线性现象a）b）c）d）

图3-8伺服系统可能存在的几种典型非线性特性30各种机械传动机构，例如齿轮减速器、杆系传动，由于加工和装配限制，在传动过程中，都可能存在着间隙，如图3-8d)所示。因此，这些非线性特性在实际的伺服系统中是普遍存在的。在性能要求很高的伺服系统中，必须认真对待这些非线性因素。3.3几种典型的非线性现象a）b）c）d）

图3-8伺服系统可能存在的几种典型非线性特性31

3.3.1死区现象分析图3-9死区特性32

3.3.1死区现象分析图3-10含有死区的非线性系统33死区对系统最直接的影响是造成输出的稳态误差。当输入信号是斜坡函数时，死区的存在会造成系统的输出量在时间上的滞后，从而降低系统的跟踪精度，如图3-11所示。3.3.1死区现象分析图3-11斜坡输入时，系统的输出量34

3.3.1死区现象分析a）b）图12死区特性的等效增益35

3.3.2饱和现象a）b）图3-13饱和特性及其等效增益a）饱和特性b）等效增益36图3-14所示为具有饱和特性的伺服系统框图。3.3.2饱和现象图3-14具有饱和特性的伺服系统框图37

3.3.2饱和现象a）b）图3-15系统的根轨迹及阶跃响应曲线38

3.3.2饱和现象图3-16系统的根轨迹及阶跃响应曲线39

3.3.3间隙现象的分析图3-17齿轮间隙和间隙特性40

3.3.3间隙现象的分析41图3-17齿轮间隙和间隙特性

3.3.3间隙现象的分析图3-18间隙的输入输出波形42

3.3.4摩擦分析图3-19各种形式的摩擦特性43

3.3.4摩擦分析图3-19各种形式的摩擦特性44

3.4机械谐振图3-20二级齿轮减速器传动示意图45

3.4机械谐振46

3.4机械谐振图3-21传动装置弹性形变示意图47

3.4机械谐振48图3-21传动装置弹性形变示意图

3.5机械刚度与伺服刚度49

3.5机械刚度与伺服刚度50

3.6机械负载的折算与匹配51

3.6机械负载的折算与匹配图3-2