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1、第4章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),4.1 概述 4.2 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行器及其控制 4.3 伺服系統(tǒng)中執(zhí)行器的選擇 4.4 閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例,4.1 概述,一、伺服系統(tǒng)概念 二、伺服系統(tǒng)的類型 三、伺服系統(tǒng)的基本要求,伺服系統(tǒng)，也稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠及時(shí)跟蹤輸入給定信號(hào)并產(chǎn)生動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機(jī)械或位置的運(yùn)動(dòng)，它的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實(shí)現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動(dòng)、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的變化規(guī)律。,一、伺服系統(tǒng)概念,,圖4.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)控制框圖,按被控量的不同可以將伺
2、服系統(tǒng)分為位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)，其中最常見的是位置伺服系統(tǒng) ； 按照控制方式，可將伺服系統(tǒng)分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng) 。 根據(jù)執(zhí)行器使用的動(dòng)力源，可以將伺服系統(tǒng)分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣壓伺服系統(tǒng)等幾種類型。（各自特點(diǎn)）,二、伺服系統(tǒng)類型,,例：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)， 由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。,,二、伺服系統(tǒng)類型,,對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)性。 穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行或者在輸入指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。 精度是伺服系統(tǒng)的
3、一項(xiàng)重要的性能要求。它是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度。 快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度，二是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。,三、伺服系統(tǒng)的基本要求,,4.2 伺服系統(tǒng)執(zhí)行器及其控制,一、執(zhí)行元件類型及特點(diǎn) 二、伺服電機(jī)及其控制 三、步進(jìn)電機(jī)及其控制,1. 電氣執(zhí)行元件 電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（AC） 伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元 件。對伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài) 性能好，適合于頻繁使用，便于維修等 2液壓式執(zhí)行元件 液壓式
4、執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、 液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況 下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn) 3氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液 壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng) 力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮 性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。,一、執(zhí)行元件類型及特點(diǎn),,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)被控對象，當(dāng)信號(hào)電壓的大小和極性(或相位)發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)⒖焖?、?zhǔn)確地跟著變化。目前常用的伺服電動(dòng)機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。,二、伺服電機(jī)及其
5、控制,,,二、伺服電機(jī)及其控制,1 直流伺服電動(dòng)機(jī) (1) 分類、結(jié)構(gòu)和原理 按勵(lì)磁方式分，可分為他勵(lì)式、并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式。他勵(lì)式包括永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)。 按結(jié)構(gòu)分類，可分為傳統(tǒng)型和低慣量型。 基本原理是主磁極的勵(lì)磁線圈在直流電源下產(chǎn)生恒定磁場，當(dāng)電樞繞組通入直流電，在電樞線圈中有直流電流，因而電樞線圈在磁場的作用下受到電磁力矩而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。,(2) 調(diào)速方式 直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為（P101）： 式中， 一電樞控制電壓； 一電樞回路電 阻； 每極磁通； 、 分別為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。,二、伺服電機(jī)及其控制,,由上式知，直流伺服電機(jī)的控制方式如下：,二、伺服電機(jī)及其控制,,（
6、2）調(diào)磁調(diào)速（變勵(lì)磁電流，恒功率調(diào)速）,（1）調(diào)壓調(diào)速（變電樞電壓，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）,常用的是前面2種調(diào)速方式。,（3）改變電樞回路電阻調(diào)速,(2) 直流電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng) 直流電機(jī)的調(diào)速電路目前以脈沖寬度調(diào)制電路應(yīng)用最為廣泛。,二、伺服電機(jī)及其控制,,橋式(H形)PWM變換器主電路,,,作用在電機(jī)兩端的平均電壓為：,二、伺服電機(jī)及其控制,,(3) 直流伺服系統(tǒng)模型,二、伺服電機(jī)及其控制,,二、伺服電機(jī)及其控制,,1)校正環(huán)節(jié)：一般速度環(huán)調(diào)節(jié)器為比例環(huán)節(jié) G1(S) =Kp 位置環(huán)為PI調(diào)節(jié),2)檢測環(huán)節(jié)：速度檢測：,位置檢測：,3)整流裝置（慣性環(huán)節(jié)）,各種整流裝置的時(shí)間常
7、數(shù)見下表,,二、伺服電機(jī)及其控制,,二、伺服電機(jī)及其控制,,二、伺服電機(jī)及其控制,,設(shè)輸入信號(hào)為Ud ,輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)角 則其傳遞函數(shù)：,,拉式變換，消去id（s）后可得電機(jī)的傳遞函數(shù)G6(S),式中：,電磁時(shí)間常數(shù)和機(jī)電時(shí)間常數(shù),電樞繞組的電感和電阻,反電動(dòng)勢常數(shù)和力矩常數(shù),阻尼和電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,畫出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，可得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。,二、伺服電機(jī)及其控制,,2. 交流伺服電動(dòng)機(jī),二、伺服電機(jī)及其控制,,杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 1勵(lì)磁繞組 2控制繞組 3內(nèi)定子 4外定子 5轉(zhuǎn)子,交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖,(1) 原理: 勵(lì)磁繞組WF接到電壓為的交流電網(wǎng)上，控制繞組接到控制電壓
8、上，當(dāng)有控制信號(hào)輸入時(shí)，兩相繞組便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場以一定的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動(dòng)起來，其旋轉(zhuǎn)速度為 式中，f為交流電源頻率(Hz)；p為磁極對數(shù)； n0為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(r/min)；s為轉(zhuǎn)差率 。,二、伺服電機(jī)及其控制,,,(2) 控制:,二、伺服電機(jī)及其控制,,幅值控制原理圖,不同控制電壓下的 機(jī)械特性曲線,由右圖可知，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓對應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速。這種維持與相位差為90，利用改變控制電壓幅值大小來改變轉(zhuǎn)速的方法，稱為幅值控制方法。,1、工作原理： 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖通入A相時(shí)
9、，磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、3齒要和A級(jí)對齊。當(dāng)下一個(gè)脈沖通入B相時(shí)，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B級(jí)對齊，則轉(zhuǎn)子就順逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制,,,若通電脈沖的次序?yàn)锳、C、B、A，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時(shí)針方向一步步地旋轉(zhuǎn)。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實(shí)觀對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。 脈沖的數(shù)量控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角；脈沖的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；脈沖的通入次序控制電機(jī)的方向。 定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電方式稱為三相單三拍。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過三次切換控制繞組的通電
10、狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制,,2. 性能參數(shù) (1)步距角 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，可按下面公式計(jì)算 式中 為步距角； 為轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)； 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的拍數(shù)。 同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因通電方式不同，運(yùn)行時(shí)步距角也是不同的,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制,,,,(2) 啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率 我們把不失步啟動(dòng)的最高脈沖頻率稱為啟動(dòng)頻率，也稱突跳頻率，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。 運(yùn)行頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能不失步的最高頻率,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制,,(3) 最大靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角 當(dāng)轉(zhuǎn)子帶有負(fù)載力矩通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就不再能和定子上
11、的某極對齊，而是相差一定的角度，該角度所形成的電磁轉(zhuǎn)矩正好和負(fù)載力矩相平衡。這個(gè)角度稱為失調(diào)角。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能帶的靜轉(zhuǎn)矩是受到限制的，最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進(jìn)電機(jī)的承受載荷的能力。,三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制,,4.3 伺服系統(tǒng)中執(zhí)行器的選擇,一、方案設(shè)計(jì) 二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì) 三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),在進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下方面的問題： 1系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載不大，精度要求不高時(shí)，可考慮開環(huán)控制；反之，當(dāng)系統(tǒng)精度要求較高或負(fù)載較大時(shí)，開環(huán)系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時(shí)要采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般情況下，開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會(huì)有問題，設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮滿足精度方面的要求即可，并通過合理的
12、結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，使系統(tǒng)具有盡可能好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。,一、方案設(shè)計(jì),,2執(zhí)行元件的選擇 選擇執(zhí)行元件時(shí)應(yīng)綜合考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運(yùn)行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面的要求。一般來講，對于開環(huán)系統(tǒng)可考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖馬達(dá)和伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達(dá)等，應(yīng)優(yōu)先選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。對于中小型的閉環(huán)系統(tǒng)可考慮采用直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)，對于負(fù)載較大的閉環(huán)伺服系統(tǒng)可考慮選用伺服閥控制的液壓馬達(dá)等。,一、方案設(shè)計(jì),,3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)連接裝置，用來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和力的變換與傳遞。在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則多
13、為直線運(yùn)動(dòng)。用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動(dòng)間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜；后者因結(jié)構(gòu)簡單、制造容易而應(yīng)用廣泛。,一、方案設(shè)計(jì),,4控制系統(tǒng)方案的選擇 控制系統(tǒng)方案的選擇包括微型機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路等的選擇。常用的微型機(jī)有單片機(jī)、單板機(jī)、工業(yè)控制微型機(jī)等，其中單片機(jī)由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越性，在伺服系統(tǒng)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。,一、方案設(shè)計(jì),,系統(tǒng)方案確定后，應(yīng)進(jìn)行方案實(shí)施的具體化設(shè)計(jì)，即各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，通常稱為穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)。其內(nèi)容主要包括
14、執(zhí)行元件規(guī)格的確定、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)慣量參數(shù)的計(jì)算以及信號(hào)檢測、轉(zhuǎn)換、放大等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)要滿足系統(tǒng)輸出能力指標(biāo)的要求。,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,1. 負(fù)載的等效換算 為了便于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析與計(jì)算，可將負(fù)載運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效地變換到執(zhí)行元件的輸出軸上，并計(jì)算輸出軸承受的轉(zhuǎn)矩(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))或力(直線運(yùn)動(dòng))。 例如：,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,,如圖所示系統(tǒng)中，由m個(gè)移動(dòng)部件和n個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。mi、Vi和Fi分別為移動(dòng)部件的質(zhì)量(kg)、運(yùn)動(dòng)速度(ms)和所承受的負(fù)載力(N)；Jj、nj和Tj分別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2)、轉(zhuǎn)速(rmin或rads)和所承受負(fù)載
15、力矩(Nm)。 (1) 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的計(jì)算 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)能的總和為,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為 根據(jù)動(dòng)能不變的原則，有 ，系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 式中 為執(zhí)行元件輸出軸的轉(zhuǎn)速(rads),二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,,,,,(2) 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間內(nèi)克服負(fù)載所作的功的總和為 執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角為 ，則執(zhí)行元件所作的功為 由于 ，所以執(zhí)行元件輸出軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,2. 執(zhí)行元件功率的匹配 (1)系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配 設(shè)機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸所采用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 (r/min)是所需最大
16、轉(zhuǎn)速，其額定轉(zhuǎn)矩 (Nm)應(yīng)大于所需要的最大轉(zhuǎn)矩，即應(yīng)大于等效到電機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與克服慣性負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩 ( 為電機(jī)加減速時(shí)的角加速度，rad/s2)之和。 即電機(jī)軸上的總負(fù)載力矩為 考慮機(jī)械傳動(dòng)效率，則,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,,(2) 系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配 上述可知，在計(jì)算等效負(fù)載力矩和等效負(fù)載慣量時(shí)，需要知道電機(jī)的某些參數(shù)。在選擇電機(jī)時(shí)，常先進(jìn)行預(yù)選，然后再進(jìn)行必要的驗(yàn)算。預(yù)選電機(jī)的估算功率P可由下式確定 式中 電機(jī)的最高角速度(rad/s)； 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速(r/min)； 考慮電機(jī)的功率富裕系數(shù)，一般取 1.22，對于小功率伺服系統(tǒng)可達(dá)2.5。,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)
17、態(tài)設(shè)計(jì),,,,,,,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,3. 減速器傳動(dòng)比的計(jì)算及分配 減速器傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。不但要求傳動(dòng)構(gòu)件要有足夠的強(qiáng)度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)為最大。以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，其傳動(dòng)比可按下式計(jì)算： 式中 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角(o)； 為絲杠導(dǎo)程(mm)； 為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量(mm)。,,,,如計(jì)算出的值較小，可采用同步齒形帶或一級(jí)齒輪傳動(dòng)，否則應(yīng)采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)。選擇齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)時(shí)，一方面應(yīng)使齒輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電動(dòng)機(jī)軸上主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值較小，另一方面還要避免因級(jí)數(shù)過多而使結(jié)
18、構(gòu)復(fù)雜。傳動(dòng)級(jí)數(shù)一般可按下圖來選擇。,二 、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,,齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)確定之后，為了緊湊傳動(dòng)結(jié)構(gòu)以及提高傳動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性，通常是根據(jù)重量最輕或等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小或輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則進(jìn)行各級(jí)傳動(dòng)比的分配。一般可按下圖來分配各級(jí)傳動(dòng)比，且應(yīng)使各級(jí)傳動(dòng)比按傳動(dòng)順序逐級(jí)增加。,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,,4. 信號(hào)檢測、轉(zhuǎn)換及放大和電源等裝置的選擇與設(shè)計(jì) 執(zhí)行元件與傳動(dòng)系統(tǒng)確定之后，要考慮信號(hào)檢測、轉(zhuǎn)換和放大裝置以及校正補(bǔ)償裝置的選擇與設(shè)計(jì)的問題，同時(shí)還要考慮相鄰環(huán)節(jié)的連接、信號(hào)的有效傳遞、輸入與輸出的阻抗匹配等，以保證各個(gè)環(huán)節(jié)在各種條件下協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)整體上達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 概括起來，
19、主要考慮以下幾個(gè)方面的問題：,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,1.檢測傳感裝置的精度、靈敏度、反應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)要合適，這是保證系統(tǒng)整體精度的前提條件； 2.信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路盡量選用商品化的產(chǎn)品，要有足夠的輸入輸出通道，與傳感器輸出阻抗和放大器的輸入阻抗要匹配； 3. 放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)和線性范圍，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠； 4.功率輸出級(jí)的技術(shù)參數(shù)要滿足執(zhí)行元件的要求； 5.電源的設(shè)計(jì)，一是要考慮到放大器各放大級(jí)的不同需要，二是要考慮到動(dòng)力電源穩(wěn)定性能和抗干擾性能。,二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),,穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)例：,己知：拖板重量W=2000N，拖板與貼塑導(dǎo)軌之間的摩擦因數(shù)u=0.06車削時(shí)最大切削負(fù)載Fs=
20、2150N(與運(yùn)動(dòng)方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于導(dǎo)軌）,要求刀具切削時(shí)的進(jìn)給速度：V=10500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑D0=32mm,導(dǎo)程：p=6mm，絲杠總長l=1400mm拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，試選擇合適的步進(jìn)電機(jī)，并檢查其啟動(dòng)特性和工作速度。,(1)脈沖當(dāng)量的選擇: 初步選擇三相步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.750/1.50，三相六拍控制時(shí)步距角為0.750，每轉(zhuǎn)其脈沖數(shù)為,根據(jù)脈沖當(dāng)量 的定義，,可以得到中間齒輪傳動(dòng)比i為：,當(dāng),時(shí)，由公式：,設(shè)計(jì)大小齒輪為：Z1=20 Z2=25 m=2mm
21、,(2)等效慣量的計(jì)算：,1)滾珠絲杠的慣量：,2)齒輪的慣量：,求得：,3)拖板的運(yùn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)化動(dòng)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：,4)總的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載：,(3)等效負(fù)載的計(jì)算：,1)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩,2)空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的最大附加轉(zhuǎn)矩,3)空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的最大加速度轉(zhuǎn)矩,初步選擇電機(jī)為110BYG260B，其電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：,其矩頻特性曲線見下圖,,由圖可得電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax=9.5Nm連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為 fm=1600Hz，,求加速度轉(zhuǎn)矩為Mamax(按在0.03s之內(nèi)加速到最大空行程速度3000mm/min計(jì)算),(a)快速啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：,(b)最大切削時(shí)所需轉(zhuǎn)矩Mc：
22、,(c)快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩Mk：,綜上，應(yīng)該以快速啟動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩作為選擇電機(jī)的依據(jù),(4)動(dòng)態(tài)效核,1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量效核：,合適,2)最大帶慣量啟動(dòng)頻率：,3)最大空載啟動(dòng)頻率：,4)最大工作頻率：,分析、設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的方法主要包括時(shí)域法和頻域法， 在時(shí)間領(lǐng)域中，利用解微分方程和根軌跡法來研究控制系統(tǒng)性能的方法，統(tǒng)稱為時(shí)域法。 頻率響應(yīng)(頻率特性)是系統(tǒng)在受到不同頻率的正弦信號(hào)作用時(shí)，描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出和輸入間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，它即能反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)也包含了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。其優(yōu)點(diǎn)是不需要把輸出量變化全過程計(jì)算出來，就能分析系統(tǒng)中各個(gè)參量與系統(tǒng)性能的關(guān)系，在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。,三、伺服
23、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,令,代入上式，可得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為,寫成實(shí)部與虛部的形式：,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,其中，,,幅頻特性,,相頻特性,已知系統(tǒng)的頻率特性，當(dāng)系統(tǒng)的輸入為正弦信號(hào)時(shí)，,容易求得輸出為：,1. 對數(shù)頻率特性曲線（Bode圖） Bode圖包括對數(shù)幅頻特性曲線和對數(shù)相頻特性曲線，兩者的橫坐標(biāo)即頻率坐標(biāo)是按頻率的對數(shù)（以10為底）進(jìn)行分度的，所以對頻率來講，橫坐標(biāo)是不均勻的。在橫坐標(biāo)上，角頻率變化倍數(shù)常用頻程表示。所謂頻程是指高頻與低頻頻率比的對數(shù)，因?yàn)閘g10=1，因此角頻率變化10倍，在橫坐標(biāo)上的距離相差1個(gè)單位，即橫坐標(biāo)上的每等分格叫
24、做一個(gè)10倍頻程，以dec(decade)表示。,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,對數(shù)幅頻特性縱坐標(biāo)以值表示，其定義 對數(shù)相頻特性曲線的縱坐標(biāo)是相角的度數(shù)， 取不同得，求得L(),(),做出的圖即為 BODE圖。,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,(dB),2. 穩(wěn)定性判據(jù)與穩(wěn)定裕量 對數(shù)頻率穩(wěn)定性判據(jù)是用開環(huán)頻率特性曲線來判斷系統(tǒng)閉環(huán)的穩(wěn)定性，這在實(shí)際工程中是很有實(shí)用價(jià)值的。 (1) 對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù) 用開環(huán)頻率特性判別系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定的條件為,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,,或者,,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,,穩(wěn)定,不穩(wěn)定,(2) 穩(wěn)定性裕量 在系統(tǒng)開環(huán)頻率特性中引入一個(gè)穩(wěn)定性裕量來衡量系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。
25、相位裕量 增益裕量,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,,,（工程中一般取300600）,（工程中一般取6db）,4. 系統(tǒng)的校正 按照校正裝置在系統(tǒng)中的聯(lián)接方法，可把校正分為串聯(lián)校正和并聯(lián)校正。 (1) 串聯(lián)校正 校正裝置串聯(lián)在前向通道中稱為串聯(lián)校正。如圖所示，串聯(lián)校正裝置一般都放在前向通道的前端，以減小功率消耗。,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,,(2) 并聯(lián)校正 按校正環(huán)節(jié)的并聯(lián)方式，并聯(lián)校正可分為反饋校正和 順饋校正。下圖所示反饋校正是從系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)的輸出中取 出信號(hào)，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)加到該環(huán)節(jié)前面某一環(huán)節(jié)的輸入端， 并與那里的輸入信號(hào)疊加，從而改變信號(hào)的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn) 對系統(tǒng)校正的目的。應(yīng)用比較多的是對系統(tǒng)的部分環(huán)節(jié)建立 局部負(fù)反饋。,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,,下圖所示順饋校正是從輸入(包括干擾)測取信 號(hào)，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)，再加給系統(tǒng)的回路，從而實(shí)現(xiàn) 對系統(tǒng)校正的目的。,三、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),,,4.4 閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例,例題,
《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》-伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì).ppt
