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1、 4.1 概述,第四章 伺服系統(tǒng)技術,一、伺服系統(tǒng)基本概念 伺服傳動技術（伺服控制，伺服系統(tǒng)）是指在控制指令的指揮下，控制驅動執(zhí)行機構，使機械系統(tǒng)的運動部件按照指令要求進行運動。實現(xiàn)執(zhí)行機構對給定指令 的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動，連續(xù)，精確的復現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。,二、伺服系統(tǒng)的結構組成,比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn),控制器通常是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作,執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能
2、量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等,檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路,三、伺服系統(tǒng)基本類型,采用不同的分類方法，可以得到不同類型的伺服系統(tǒng),按控制原理（或方式）不同,表示的方式有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式,按被控制量性質不同,有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式,按驅動方式不同,有電氣、液壓和氣壓等伺服驅動形式,按執(zhí)行元件不同,分為步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式,四、伺服系統(tǒng)基本要求,精度高,響應速度快,指輸出量復現(xiàn)輸入指令信號的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示,影
3、響伺服系統(tǒng)精度的因素：,1、組成元件本身誤差,是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的重要指標,應變能力指能承受頻繁的啟動、制動、加速、減速的沖擊；,Rn要大，并且在該范圍內(nèi)，速度穩(wěn)定； 無論高速低速下，輸出力或力矩穩(wěn)定，低速驅動時，能輸出額定的力 或力矩； 在零速時，伺服系統(tǒng)處于 “鎖定” 狀態(tài)，即慣性小。,應變能力和過載能力大,要求：,過載能力指在低速大轉矩時，能承受較長時間的過載而不致?lián)p壞,調速范圍大,是伺服系統(tǒng)提供的最高速與最低速之比，即：,體積小，重量輕，可靠性高，成本低,六、電力電子變流技術,1、開關器件類型,晶閘管（SCR）,電力晶體管（GTR）,場效應晶體管（MOSFET）,絕緣柵雙極性晶體管
4、IGBT）,（1）晶閘管開關特性,（1）若門極G不加電壓，無論A加正向還是反響電壓，均不導通，具有正反阻斷能力。 （2）陽極A和門極G同時加正向電壓才能導通，導通必須具備的兩個條件 （3）晶閘管導通后，門極G就失去了控制作用，要斷開必須減小陽極電流（小于維持電流）,（2）功率晶體管（GTR）,有截止，有源放大和飽和三種狀態(tài)，一般作為開關使用，開通時要驅動，正常導通時要線飽和，關斷時要反偏，目前驅動電路已集成化。 特點：飽和壓降低，載流密度大，驅動電流較大。 （3）場效應晶體管（MOSFET） 特點：驅動功率大，開關速度快，導通壓降大，載流密度小。,工作狀態(tài),（4）IGBT 是一種新型復合功率開
5、關器件。集成了GTR和MOSFET的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。 驅動用集成芯片，如EXB840，IR2130等。,2、開關器件特性,目前，各類電力電子器件所達到的功能水平如下： 普通晶閘管：12kV、1kA；4kV、3kA。 可關斷晶閘管：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。 電力晶體管：單管1kV、200A；模塊1.2kV、800A；1.8kV、100A。 場效應管：1kV、38A。 絕緣柵極雙極型晶體管：1.2kV、400A；1.8kV、100A。,3、變流技術,（1）整流把交流電變?yōu)楣潭ǖ模ɑ蚩烧{的）直流電 （2）逆變把固定直流電變成固定的（或可調的）交流電。 （3）斬波把固定的
6、直流電壓變成可調的直流電 （4）交流調壓把固定的交流電壓變成可調的交流電壓。,（1）.整流器,整流過程是將交流信號轉換為直流信號的過程，可通過二極管或開關器件組成的橋式電路來實現(xiàn)。,單相交流可控硅橋式整流電路 (a）整流電路；(b）波形圖,若將開關器件V換成二極管，分析電路情況？,（2）. 斬波器,二極管是續(xù)流二極管，當S斷開時，由于電樞電感的存在，電動機的電樞電流可通過它形成續(xù)流回路。,（3）.逆變器,它有兩個導電臂，每個導電臂由一個可控元件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個電容的連結點為直流電源的中點。,（4）.交流調壓器,一、執(zhí)行元件的分類及其特點
7、執(zhí)行元件是能量變換元件，其目的是控制機械執(zhí)行機構運動。機電一體化伺服系統(tǒng)要求執(zhí)行元件具有轉動慣量小，輸出動力大，便于控制，可靠性高和安裝維護簡便等特點。根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型, 4.2 執(zhí)行元件,二、電氣伺服驅動裝置,機電一體化系統(tǒng)中較多的采用電 氣伺服驅動裝置，即伺服電機驅動系統(tǒng)。,伺服驅動電機一般是指：,步進電機（Stepping Motor）,直流伺服電機(DC Servo Motor),交流伺服電機(AC Servo Motor),三種電機驅動的特點：,1、步進電機,轉角與數(shù)字脈沖成比例，可構成直接數(shù)字控制,構成廉價的開環(huán)系統(tǒng),控制系統(tǒng)控
8、制較簡單,2、DC伺服電機,高響應、高功率密度,可實現(xiàn)高精度的數(shù)字控制,換向器件需維護,3、AC伺服電機,具有DC伺服電機的全部優(yōu)點,需要磁極位置檢測器,無接觸換向器件，維護方便, 4.3 步進電機伺服驅動,一、步進電機工作原理,步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)?角位移的電氣執(zhí)行元件，電機繞組每接受一個脈沖，轉子轉過相應的角度（即步距角），低頻率運行時，明顯可見電機軸是一步一步轉動的，故稱為步進電動機。,二、三相反應式步進電機的三種運行方式：,單三拍時： ABC,ABC,雙三拍時：,ABBCCA,ABBCCA,單雙拍（即六拍）時：,AABBBCCCA,-AABBBCCCA ,3、開環(huán)控制原理圖,4
9、、步進電機的單片機控制,（1）控制換向順序,（2）控制步進電機的轉向,（3）控制步進電機的速度,結論：脈沖的數(shù)量控制電動機的轉角 脈沖的頻率控制電動機的轉速 脈沖的通入次序控制電機的方向,5、脈沖分配,（1）通過軟件實現(xiàn)脈沖分配,有兩種方式：軟件法和硬件法。,軟件法是完全用軟件的方式按照給定的通電換相順序，通過單片機的IO口向驅動電路發(fā)出控制脈沖。以三相步進電機工作在六拍方式為例。,三相六拍工作方式通電正序為： AABBBCCCA,共6個通電狀態(tài)，若P1口輸出控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用6個控制字來對應這6個通電狀態(tài)。,在程序中,只要依次將這6個控制字送到Pl口步進電
10、動機就會轉動一個齒距角。每送一個控制字,就完成一拍。步進電動機轉過一個步距角。程序就是根據(jù)這個原理進行設計的。 用R0作為狀態(tài)計數(shù)器，來指示第幾拍。按正轉時加1，反轉時減1的操作規(guī)律，則正轉程序為：,CW：INC R0 CJNE R0,#06H,ZZ MOV R0,#00H ZZ:MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,A+DPTR,MOV P1,A RET ABC:DB 0FEH,0FCH,0FDH,0F9H, DB 0FBH,0FAH,反轉程序,MOV P1,A RET,CCW：DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#05H FZ:MOV A,R
11、0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,A+DPTR,軟件法在電動機運行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時間，可能使單片機無法同時進行其他工作(如監(jiān)測等),（2）通過硬件實現(xiàn)脈沖分配,采用小規(guī)模集成電路搭接一個硬件分配器，靈活性大，不占用計算機的工作時間 采用專門的環(huán)形分配器,6. 步進電機的速度控制,通過單片機發(fā)出的步進脈沖來控制。,軟件脈沖分配方式：采用調整兩個控制字之間的時間間隔,硬件脈沖分配方式：控制步進脈沖的頻率,第一種是通過軟件延時的方法。 使CPU長時間等待 占用大量機時。 第二種是通過定時器中斷的方法,使用定時器T0，工作方式l。設用于改變速度的定時常數(shù)存
12、放在內(nèi)部RAM 30H(低位)和31H(高8位)中，則定時器中斷服務子程序為,AA： CPL P1.4 PUSH ACC PUSH PSW CLR C CLR TR0 MOV A,TL0 ADD A,30H MOV TL0,A MOV A,TH0 ADDC A,31H MOV TH0,A,SETB TR0 POP TR0 POP ACC RETI,調速指令是通過輸入界面出外界輸入的，可通過鍵盤程序或AD轉換程序接收，通過這些程序將外界給定的速度值轉換成相應的定時常數(shù)，并存人30H和31H這樣就可以在定時器中斷后改變步進脈沖的頻率，達到調速的目的。,7、步進電機的驅動控制電路,單電壓驅動,雙電壓
13、驅動,斬波恒流驅動（電流驅動）,二、直流電動機的調壓調速原理,直流電動機,U電樞電壓，I電樞電流，R電路總電阻，每極磁通量，K電動機結構參數(shù),由上式可知，直流電動機的控制方式如下： 調壓調速（改變電樞電壓，恒轉矩調速） 調磁調速（改變勵磁電流，恒功率調速） 改變電樞回路的電阻調速,三、 交流異步電機調速,轉速公式：,調速方法： 改變f變頻調速（無級調速） 改變P變極調速（有級調速） 改變S該方法會降低交流電動機的機械特性，一般不用,380,U,V,W, 4. 4 伺服機械傳動系統(tǒng)設計,一、系統(tǒng)方案確定,典型的開環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)、數(shù)控x、y工作臺、機器人的關節(jié)移動等。
14、其結構原理如圖所示：,方案確定實質是對上述各構成環(huán)節(jié)的選擇設計,執(zhí)行元件的選擇,傳動機構方案的選擇,開環(huán)伺服系統(tǒng)中可以采用步進 電機、液壓伺服閥控制的液壓馬達和液壓缸、氣壓伺服閥控制的氣壓馬達和氣壓缸等作為執(zhí)行元件，其中步進電機應用最廣泛，當負載能力不夠時，考慮后者。 總之，要考慮負載能力、調速范圍、體積、成本等因素。,傳動機構實質上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機構之間的一個機械接口，用于對運動和力進行變換和傳遞，伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件以輸出轉速和轉矩為主，而執(zhí)行機構多為直線運動或旋轉運動，將旋轉運動轉換為直線運動的傳動機構有：,執(zhí)行機構方案的選擇,步進電機與絲杠螺母間的運動傳遞可能有多種形式：,采用同步齒型
15、帶傳動絲杠：中心距較大,通過減速器傳動絲杠：減速器作用是配湊脈沖當量、轉矩放大、慣量匹配等,通過聯(lián)軸器直接相連：結構簡單，可獲得高速，對電機負載能力要求較高,執(zhí)行機構是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是進行實際操作的機構，執(zhí)行機構中一般含有導向機構，執(zhí)行機構方案的選擇主要是指導向機構的選擇，即,導軌的選擇：,控制系統(tǒng)方案的選擇,包括微機、步進電機控制方式、驅動電路、接口電路等的選擇和設計,二、開環(huán)伺服機械系統(tǒng)設計計算,確定脈沖當量，初選步進電機,根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定，對于開環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取,初選步進電機指：選擇步進電機的類型和步矩角,注：脈沖當量：步進電機每接受一個脈沖時，工作臺走過的位移。,單位為
16、mm/pulse,角脈沖當量：就是步距角(/pulse),當通過中間傳動裝置時，角脈沖當量為：,如下圖，步進電機通過絲杠螺母副帶動工作臺運動時，其脈沖當量為：,設計時，先根據(jù)運動精度選定，再根據(jù)負載確定步進電機的參數(shù)，并選定絲杠的導程p,計算出傳動比i后，最后設計傳動齒輪的各參數(shù)等。,確定減速傳動比,傳動比公式：,計算出的傳動比較小時，采用一級齒輪傳動或同步帶傳動,傳動比較大時，采用多級齒輪傳動,注：1、齒輪傳動級數(shù)增加時，使齒隙和靜摩擦增加，傳動效率降低，故傳動級數(shù)一般不超過3級。,2、傳動級數(shù)的分配原則： 傳動比逐級增加（或前小后大原則），使輸出軸轉角誤差最小。,3、電機負載轉矩計算,作用
17、在步進電機軸的總的負載轉矩按下式計算：,步進電機最大靜轉矩確定：,4、等效轉動慣量的計算,其中：,Jm是電機軸自身的轉動慣量（Kg.m2）,Jd是系統(tǒng)折算到電機軸的總的轉動慣量（Kg.m2）,FW作用在工作臺的外力（N）,F0絲杠螺母預緊時的力（N）,P是絲杠螺距（mm）,i是總傳動比,是電機啟動、制動時的角加速度（rad/s2）,F 作用在工作臺的摩擦力（N）,伺服系統(tǒng)傳動鏈的總效率（取0.70.85）,絲杠螺母預緊時的傳動效率（取0.9）,基本公式,圓柱體,其中：,Jd的計算,對上圖所示的的系統(tǒng)，折算到電機軸的轉動慣量Jd由幾部分組成：,電機軸的轉動慣量Jm,齒輪Z1的轉動慣量JZ1,齒輪
18、Z2的轉動慣量JZ2和絲杠的轉動慣量JS折算到電機軸的轉動慣量,工作臺折算到電機軸的轉動慣量,對于直線移動的工作臺，折算到絲杠軸的轉動慣量為：,絲杠軸折算到電機軸的轉動慣量為：,因此，折算到電機軸的等效轉動慣量Jd為：,對于齒輪齒條傳動的工作臺，折算到驅動軸的轉動慣量為：,R為齒輪分度圓半徑,對于帶傳動的工作臺，折算到驅動軸的轉動慣量為：,為驅動軸的角速度,v為工作臺的速度,5、最高運行頻率,.根據(jù)工作臺的最高速度vmax選擇步進電機最高運行頻率fmax,由,得,注意量綱：,vmax (m/min),作業(yè)：,某開環(huán)數(shù)控車床的伺服進給系統(tǒng)，已知：工作臺質量m=300kg,導軌的摩擦系數(shù)u=0.2，最大軸向載荷Fmax=500kgf；絲杠的導程p=6mm,公稱直徑d=45mm,摩擦系數(shù) ,絲杠總長度L=2.44m，兩端最大支承長度l=1.8m；選定四相反應式步進電機，其步距角 ，最大靜轉矩 ，轉子轉動慣量 。 要求系統(tǒng)脈沖當量 ，最大進給速度 ，試對系統(tǒng)進行以下設計驗算： 1、計算減速傳動比i，并分配傳動比； 2、等效轉動慣量計算，并驗算慣量匹配（計算齒輪轉動慣量時，選定齒輪模數(shù)m=2mm,齒寬b=20mm, ）； 3、計算電機的最高運行頻率,返回,
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