第3章伺服系统(7伺服系统设计).ppt

1、第三章 机电一体化系统执行元件的选择与设计,第四节 伺服系统设计,本章内容,伺服系统概述 伺服系统的执行元件概述 控制电动机及其选择计算 伺服系统设计,4 伺服系统,第四节 伺服系统设计,方案设计 伺服系统稳态设计 伺服系统动态设计,在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题： 1系统闭环与否的确定 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。,一、方案设计,

2、2执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。,3传动机构方案的选择 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获

3、得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。,4控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。,系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设计与计算。稳态设计要满足系统输出

4、能力指标的要求。,一、伺服系统稳态设计,1. 负载的等效换算 为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩(回转运动)或力(直线运动)。 例如：,如图所示系统中，由m个移动部件和n个转动部件组成。mi、Vi和Fi分别为移动部件的质量(kg)、运动速度(ms)和所承受的负载力(N)；Jj、nj和Tj分别为转动部件的转动惯量(kgm2)、转速(rmin或rads)和所承受负载力矩(Nm)。 (1) 系统等效转动惯量 的计算 系统运动部件动能的总和为,设等效到执行元件输出轴上的总动能为 根据动能不变的原则，有 ，系统等效转动

5、惯量为 式中 为执行元件输出轴的转速(rads),(2) 等效负载转矩的计算 设上述系统在时间内克服负载所作的功的总和为 执行元件输出轴在时间内的转角为 ，则执行元件所作的功为 由于 ，所以执行元件输出轴所承受的负载转矩为,2. 执行元件功率的匹配 (1) 系统执行元件的转矩匹配 设机床工作台的伺服进给运动轴所采用电机的额定转速 (r/min)是所需最大转速，其额定转矩 (Nm)应大于所需要的最大转矩，即应大于等效到电机输出轴上的负载转矩 与克服惯性负载所需要的转矩 ( 为电机加减速时的角加速度，rad/s2)之和。 即电机轴上的总负载力矩为 考虑机械传动效率，则,(2) 系统执行元件的功率匹

6、配 上述可知，在计算等效负载力矩和等效负载惯量时，需要知道电机的某些参数。在选择电机时，常先进行预选，然后再进行必要的验算。预选电机的估算功率P可由下式确定 式中 电机的最高角速度(rad/s)； 电机的最高转速(r/min)； 考虑电机的功率富裕系数，一般取 1.22，对于小功率伺服系统可达2.5。,3. 减速器传动比的计算及分配 减速器传动比应满足驱动部件与负载之间的位移、转速和转矩的关系。不但要求传动构件要有足够的强度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应为最大。以步进电动机为例，其传动比可按下式计算： 式中 为步进电动机步距角(o)

7、； 为丝杠导程(mm)； 为工作台运动的脉冲当量(mm)。,如计算出的值较小，可采用同步齿形带或一级齿轮传动，否则应采用多级齿轮传动。选择齿轮传动级数时，一方面应使齿轮总转动惯量与电动机轴上主动齿轮的转动惯量的比值较小，另一方面还要避免因级数过多而使结构复杂。传动级数一般可按下图来选择。,齿轮传动级数确定之后，为了紧凑传动结构以及提高传动精度和动态特性，通常是根据重量最轻或等效转动惯量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。一般可按下图来分配各级传动比，且应使各级传动比按传动顺序逐级增加。,4. 信号检测、转换及放大和电源等装置的选择与设计 执行元件与传动系统确定之后，要考虑信号检

8、测、转换和放大装置以及校正补偿装置的选择与设计的问题，同时还要考虑相邻环节的连接、信号的有效传递、输入与输出的阻抗匹配等，以保证各个环节在各种条件下协调工作，系统整体上达到设计指标。 概括起来，主要考虑以下几个方面的问题：,1.检测传感装置的精度、灵敏度、反应时间等性能参数要合适，这是保证系统整体精度的前提条件； 2.信号转换接口电路尽量选用商品化的产品，要有足够的输入输出通道，与传感器输出阻抗和放大器的输入阻抗要匹配； 3. 放大器应具有足够的放大倍数和线性范围，其特性应稳定可靠； 4.功率输出级的技术参数要满足执行元件的要求； 5.电源的设计，一是要考虑到放大器各放大级的不同需要，二是要考

9、虑到动力电源稳定性能和抗干扰性能。,稳态设计实例,己知：拖板重量W=2000N，拖板与贴塑导轨之间的摩擦因数u=0.06车削时最大切削负载Fs=2150N(与运动方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于导轨）,要求刀具切削时的进给速度：V=10500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滚珠丝杠名义直径D0=32mm,导程：p=6mm，丝杠总长l=1400mm拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，试选择合适的步进电机，并检查其启动特性和工作速度。,(1)脉冲当量的选择 初步选择三相步进电机的步距角为0.750/1.50，三相六拍控制时步距角为0.750

10、，每转其脉冲数为,根据脉冲当量 的定义，,可以得到中间齿轮传动比i为：,当,时，由公式：,设计大小齿轮为：Z1=20 Z2=25 m=2mm,(2)等效惯量的计算,1)滚珠丝杠的惯量：,2)齿轮的惯量：,求得：,3)拖板的运动惯量转化动电机轴的转动惯量：,4)总的等效转动惯量负载：,(3)等效负载的计算,1)折算到电机轴上的摩擦转矩,2)空载时折算到电机轴上的最大附加转矩,3)空载时折算到电机轴上的最大加速度转矩,初步选择电机为110BYG260B，其电机轴转动惯量为：,其矩频特性曲线见下图,由图可得电机的最大静转矩Mjmax=9.5Nm连续运转频率为 fm=1600Hz，,求加速度转矩为Ma

11、max(按在0.03s之内加速到最大空行程速度3000mm/min计算),(a)快速启动时的启动转矩：,(b)最大切削时所需转矩Mc：,(c)快速进给时所需转矩Mk：,综上，应该以快速启动时所需的转矩作为选择电机的依据,(4)动态效核,1)转动惯量效核：,合适,2)最大带惯量启动频率：,3)最大空载启动频率：,4)最大工作频率：,分析、设计伺服系统的方法主要包括时域法和频域法，在时间领域中，利用解微分方程和根轨迹法来研究控制系统性能的方法，统称为时域法。 频率响应(频率特性)是系统在受到不同频率的正弦信号作用时，描述系统的稳态输出和输入间关系的数学模型，它即能反映系统的稳态性能，同时也包含了系

12、统的动态性能。其优点是不需要把输出量变化全过程计算出来，就能分析系统中各个参量与系统性能的关系，在工程实践中应用广泛。,三、伺服系统动态设计,设系统的传递函数为：,令,代入上式，可得到系统的频率响应为,写成实部与虚部的形式：,其中，,幅频特性,相频特性,已知系统的频率特性，当系统的输入为正弦信号时，,容易求得输出为：,1. 对数频率特性曲线（Bode图） Bode图包括对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线，两者的横坐标即频率坐标是按频率的对数（以10为底）进行分度的，所以对频率来讲，横坐标是不均匀的。在横坐标上，角频率变化倍数常用频程表示。所谓频程是指高频与低频频率比的对数，因为lg10=1，因

13、此角频率变化10倍，在横坐标上的距离相差1个单位，即横坐标上的每等分格叫做一个10倍频程，以dec(decade)表示。,对数幅频特性纵坐标以值表示，其定义 对数相频特性曲线的纵坐标是相角的度数， 取不同得，求得L(),(),做出的图即为 BODE图。,(dB),2. 稳定性判据与稳定裕量 对数频率稳定性判据是用开环频率特性曲线来判断系统闭环的稳定性，这在实际工程中是很有实用价值的。 (1) 对数频率稳定判据 用开环频率特性判别系统闭环稳定的条件为,或者,稳定,不稳定,(2) 稳定性裕量 在系统开环频率特性中引入一个稳定性裕量来衡量系统的相对稳定性。 相位裕量,（工程中一般取300600）,（工程中一般取6db）,增益裕量,4. 系统的校正 按照校正装置在系统中的联接方法，可把校正分为串联校正和并联校正。 (1) 串联校正 校正装置串联在前向通道中称为串联校正。如图所示，串联校正装置一般都放在前向通道的前端，以