《机电一体化系统设计》第4章-伺服系统设计剖析.ppt

1、第4章伺服系统设定修订、4.1概要4.2伺服系统的执行机构及其控制4.3伺服系统中的执行机构的选择4.4闭环控制的伺服系统设定修订例、4.1概要、伺服系统概念2、伺服系统的类型3、 伺服系统的基本要求伺服系统是一种自动控制系统，其输出变量通常是机械或位置的运动，其根本任务是实现致动器对给定指令的精确跟踪，即具有输出变量的状态能够自动、连续、精确地再现输入指令信号的变化规律。 另一方面，伺服系统的概念，图4.1直流伺服电动机的单闭环控制分块图，根据被控制量可以将伺服系统分为位置伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的是根据位置伺服系统的控制方式，将伺服系统分为开环、闭环根据执行机构所使用的动力源，将

2、伺服系统分为电气伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统等几类。 (各自的特征)、二、伺服系统类型，例如数控机床的伺服系统由图可以看出，与一般的种子文件背操纵系统同样，由控制支重轮、被受控对象、种子文件背测量装置等部分构成。 二、伺服系统型对伺服系统的基本要求具有稳定性、精度、高速响应性。 稳定性是指作用于系统的声干扰消失后，通过系统恢复原来的稳定状态或输入指令信号，使系统达到新的稳定运行状态的能力。 精度是伺服系统的重要性能要求。 这是再现其输出量输入指令信号的正确度。 快速响应是测量伺服系统动态性能的另一个重要指标。 高速响应性具有在动力响应过程中追随输入指令信号的变化的输出量的速度和动力响应

3、过程结束的速度这2个意义。 三、伺服系统的基本要求、4.2伺服系统执行机构及其控制、一、执行机构类型及其特点二、伺服马达及其控制三、步进大头针马达及其控制、一、电执行机构电执行机构为直流(DC )伺服马达、交流(AC )传感器在包括步进大头针电动机在内的伺服电动机中，除了运行顺畅外，一般动态性能好，适合频繁使用，容易维护的双油压式驱动器油压式驱动器主要包括往复运动缸、摆动液压缸、油压电动机等，其中缸最好同等输出的情况下，具有油压机轻量、高速性好等特征的3气压式驱动器气压式驱动器，除了使用压缩空气作为工作介质以外，与油压式驱动器没有变化。 气动驱动可获得较大的驱动力、行程、速度，但由于空气粘性差

4、、有可压缩性，在需要定位精度时无法使用。 另一方面，在致动器的类型和特征、自动控制系统中，伺服电机将电压信号转换为扭矩和旋转速度来驱动被受控对象，信号电压的大小和极性(或相位)变化时，电机的旋转速度和旋转方向快速正确地变化。 现在常用的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机、步进大头针定电机。 二、伺服电机及其控制、二、伺服电机及其控制、1直流伺服电机(1)的分类、结构和原理按励磁方式分为他励式、并励式、直励式和复励式。 他励式包括永久吸铁石式直流伺服电动机。 按结构可分为传统型和低惯性型。 基本原理是，主磁极的励磁线圈在直流电源中产生一定的磁场，当电枢线圈中流过直流电力时，电枢线圈中流过直流电

5、流，因此，电枢线圈在磁场的作用下受到电磁转矩，使转子旋转。(2)调速方式的直流伺服电机的机械特性方程式为(P101 ) :式中，电枢控制电压电枢回路的每1极电阻的磁通，分别是电机的结构常数。 二、伺服电动机及其控制由上式可知，直流伺服电动机的控制方式包括：二、伺服电动机及其控制、(2)调磁调速(可变励磁电流、恒功率调速)、(1)调压调速(可变电枢电压、恒转矩调速)、(3)改变电枢电路的电阻调速、(2)直流电动机的二、伺服电机及其控制、桥(h型) PWM变换器的主电路、作用于电机两端的平均电压为：二、伺服电机及其控制、(3)直流伺服系统模型、二、伺服电机及其控制、二、位置检测：三)整流装置(惯性

6、网络链接)、各种伺服电动机及其控制，二，伺服电动机及其控制，二，伺服电动机及其控制，将输入信号作为Ud，将输出作为电动机运行角传递函数的电枢线圈的电感量和电阻，反电动势常数和力矩常数，阻尼大头针和电动机轴惯性矩，描绘系统的传递函数分块图，系统的开环传递函数2、伺服电动机及其控制、2、交流伺服电动机、2、伺服电动机及其控制、杯形转子伺服电动机的结构图1励磁线圈2控制线圈3内定子4外定子5转子、交流伺服电动机的接线图、(1)原理：励磁线圈WF与电压的交流网连接， 控制线圈与控制电压连接的该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子按照旋转磁场以一定的滑动率旋转，其旋转速度为式中，f为交流电源频

7、率(Hz )。 p是磁极对数，n0是电滚子的旋转磁场转速(r/min )； s是滑坡率。 由二、伺服电机及其控制、(2)控制：二、伺服电机及其控制、振幅控制原理图、不同控制电压下的机械特性曲线可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，滑动率越小，电机的转速越高1、工作原理：当第一个脉冲流过a相时，磁通沿磁敏电阻最小的路径闭合。 由于这种磁场力，转子的1、3齿统一为a级。 下一个脉冲流过b相时，磁通也必须以磁敏电阻最小的路径闭合。 也就是说，2、4齿对齐b级时，转子绕逆时针修正旋转一定的角度。 三、步进电机及其控制，如果通电脉冲的顺序是a、c、b、a，则难以推出，转子按顺时针方向进行一头地一头地旋转

8、。 因此，能够以不同的脉冲通电顺序方式实际观察步进电机的控制。 脉冲的数量控制电机的旋转角；脉冲的频率控制电机的旋转速度；脉冲的通电顺序控制电机的方向。 每次改变定子绕组的通电方式，称为单触发。 上述通电方式称为三相单三拍。 所谓“单一”，意味着一次只有1相的绕组通电。所谓“三拍”，是指将控制绕组的通电状态切换3次，设为1个循环。 三、步进电动机及其控制、二、性能残奥表(1)步进角步进大头针电动机一头地前进旋转的角度称为步进角，在下式中，步进角可以修正的转子齿数即步进大头针电动机运行的齿数。相同的步进电机，根据通电方式的不同，运转时的步进角也不同，三、步进大头针电机及其控制、(2)起动频率和运

9、转频率将不丢失步进大头针的最高脉冲频率称为起动频率，也称为突跳频率，是步进大头针电机的重要性能指标。 所谓运转频率，是指步进电动机起动后，控制脉冲频率连续上升时，步进大头针电动机为不失去步进的最大射频波数，三是在步进电动机及其控制下，(3)最大静扭矩和失步角转子带有负载扭矩通电时，转子在定子上这个角度叫做失步角。 步进大头针电动机具有的静扭矩受到限制，最大静扭矩表示步进大头针电动机承受负荷的能力。 三、步进电动机及其控制、4.3伺服系统的执行机构的选择、一、方案设定修订二、伺服系统的定常设修订三、伺服系统的动态设定修订、系统方案设定修订时，需要考虑以下方面的问题，相反，在系统的精度要求高的情况

10、下和负荷大的情况下， 开环系统常不能满足要求，在这种情况下，采用闭环或半闭环操纵系统。 一般来说，开环系统的稳定性没有问题，可以只考虑满足精度方面的要求来进行设定、修正即可，通过合理的构造参数匹配，使系统具有尽可能好的动力响应特性。一、方案设定修订、二作动器选择作动器时，应综合考虑负荷能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性及体积、成本等多方面的要求。 一般来说，在开环系统中，可以考虑步进大头针电动机、电液脉冲电动机、由伺服阀控制的液压缸和液压电动机等，应该优先选择步进大头针电动机。 中小型闭环系统可以考虑直流伺服电机、交流伺服电机，负载大的闭环伺服系统可以考虑伺服阀控制的液压电机等。 一、方

11、案设置修订、三传动机构方案的选择传动机构是执行机构和执行机构之间的连接装置，进行运动和力的转换和传递。 在伺服系统中，执行机构以输出旋转运动和扭矩为主，执行机构多为直线运动。 用于将旋转运动转换为直线运动的传动机构主要有齿条小齿轮和螺纹螺母柱等。 前者能够得到大的传动比和高的传动效率，能够传递的力也大，但是难以制造高精度的齿条小齿轮，为了消除传动间隙而构造复杂，后者由于构造简单、容易制造，因此被广泛使用。方案设定修订、四操纵系统方案的选择操纵系统方案的选择包括微机、步进电机控制方式、驱动电路等的选择。 常用的微机有单片机、单片机、工业控制微机等，其中单片机由于体积、成本、可靠性和控制指令功能等

12、多方面的优势，在伺服系统的控制中广泛应用。 一、方案设定修订、系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设定修订，即各环节设定修订，通常称为定常设修订。 其内容主要包括执行机构规格的确定、系统构成的设定、系统惯性量残奥表的修正计算以及信号检测、变换、放大等环节的设定修正计算。 定常设修订应满足系统输出能力指标的要求。 二、伺服系统的定常设校正，一、为了便于负荷的等价换算系统运动学动力学的分析和校正计算，可以将负荷运动零配件的惯性矩等价变换为致动器的输出轴，校正输出轴承受到的扭矩(旋转运动)或者力(直线运动)。 例如，二、伺服系统的固定常设误差，在图所示的系统中，由m个移动部件和n个旋转部件构成。

13、mi、Vi、Fi分别是移动零配件的质量(kg )、运动速度(ms )和承受的负荷力(n )，Jj、nj、Tj分别是旋转部件的惯性矩(kgm2 )、旋转速度(rmin或rads )、负荷扭矩(Nm )。(1)系统等效惯性矩的修正计算系统动能的总和是：二、伺服系统定常设修正、将驱动器输出轴上的总动能与等效原则上不随动能而改变，系统等效惯性矩表示式中驱动器输出轴的转速(rads )，二， 伺服系统定常设修订(2)等效负荷扭矩的计算将上述系统在时间内克服负荷的工作的总和作为致动器输出轴在时间内的旋转角，则致动器所做的工作成为原因，致动器输出轴受到的负荷扭矩为： 2、伺服系统的定常设修订、2 .致动器功

14、率用于系统作动器的扭矩匹配工作母机表的伺服进给运动轴的马达的额定转速(r/min )是必要最大转速，其额定扭矩(Nm )是必要最大扭矩，即克服与马达输出轴等价的负载扭矩和惯性负载所需的扭矩(即， 考虑到电机轴上的总负载扭矩的机械传递效率，二、伺服系统的定常设修订；(2)根据上述系统作动器的功率匹配，在修订等效负载扭矩和等效负载惯性量时，需要知道电机的某些残奥仪表。 在选择电机时，大多在进行初步选择后再进行必要的管理。 考虑到能够通过下式决定式中的电动机的最高角速度(rad/s )的电动机的最高转速(r/min )电动机的功率裕量系数，备用电动机的估计功率p一般取1.22，对于小功率伺服系统达到

15、2.5。二、伺服系统的定常设修订、二、伺服系统的定常设修订、三、减速机的传动比计算和分配减速机的传动比应满足驱动零配件与负载之间的位移、转速与扭矩的关系。 不仅对传动部件要求一盏茶的强度，而且尽量减小其惯性矩，使得得到相同加速度时所需的扭矩小，即在相同驱动功率时其加速度响应最大。 以步进大头针电动机为例，其传递比在公式中为步进大头针电动机的步进角(o )和螺纹导程(mm )即工作台运动的脉冲当量(mm )。 修正后的值小时，可采用同步同步带或一级齿轮传动。 否则，应采用多级齿轮传动。 选择齿轮传动级数时，一方面减小齿轮的总惯性矩与电动机轴上的驱动齿轮的惯性矩比，另一方面防止级数过多导致结构复杂

16、。 传动级数一般可按下图选择。 二、伺服系统的定常设修订、齿轮传动级数确立后，为了使传动结构紧凑，提高传动精度和动态特性，通常根据重量最轻或等效惯性矩最小或输出轴转角误差最小的原则进行各级传动比的分配。 可以如下图那样分配各级传输比，应该使各级传输比按照传输顺序逐步增加。 二、伺服系统的稳定设定纠正、4 .信号检测、转换及放大和电源等装置的选择和设定纠正致动器和传动系统确定后，考虑到信号检测、转换和放大装置以及补偿装置的选择和设定纠正问题，同时考虑到相邻环节的连接、信号的有效传输、投入产出的阻抗匹配等， 各环节概括如下：主要有：二、伺服系统的定常设修订；一、传感装置的精度、灵敏度、系统响应时间等性能残奥仪表适当是保证系统整体精度的前提条件；二、信号转换接口电路尽量选择商品化的产品，并具有一盏茶的投入产出通道； 传感器输出阻抗和放大器的输入阻抗必须匹配3 .放大器必须具有一盏茶的放大器和线性范围，其特性必须稳定可靠4 .功率输出级的技术参数必须满足致动器的要求5 .电源的设置修正是放大器的各个