伺服系統(tǒng)-PID經(jīng)典的應(yīng)用

1、 l 伺服系統(tǒng)定義伺服系統(tǒng)定義l 伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成l 伺服系統(tǒng)要求及分類伺服系統(tǒng)要求及分類l 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)l 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)l 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)l 現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線l 伺服系統(tǒng)參數(shù)伺服系統(tǒng)參數(shù)l 機(jī)電匹配機(jī)電匹配l 伺服電機(jī)運(yùn)行模式伺服電機(jī)運(yùn)行模式 以移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的以移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)（Feed Servo System）位置指令位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測(cè)位置控制速度控制+-電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)位置檢測(cè)

2、+ l伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成 位置檢測(cè)裝置將檢測(cè)到的移動(dòng)部件的實(shí)位置檢測(cè)裝置將檢測(cè)到的移動(dòng)部件的實(shí)際位移量進(jìn)行位置反饋，與位置指令信號(hào)進(jìn)行際位移量進(jìn)行位置反饋，與位置指令信號(hào)進(jìn)行比較，將兩者的差值進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，變換成速比較，將兩者的差值進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，變換成速度控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)以度控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到指給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到指令位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。令位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。 l 基本工作原理基本工作原理 1.調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性（在調(diào)速范圍內(nèi)）調(diào)速范圍要寬且要有

3、良好的穩(wěn)定性（在調(diào)速范圍內(nèi)） 調(diào)速范圍：調(diào)速范圍：RN=Fmax/Fmin 一般要求：一般要求： RN 1000， 且且 0.1 mm/min Fmin 1 mm/min 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。 2. 位置精度高位置精度高 實(shí)際位移與指令位移的差值要小。位置精度一般為實(shí)際位移與指令位移的差值要小。位置精度一般為0.010.001mm，甚至可高至，甚至可高至0.1m。 3.穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 即負(fù)載特性要硬，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或承受外界干擾的情況下，即負(fù)載特性要硬，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或承受外界干擾

4、的情況下，輸出速度應(yīng)基本不變，而且保持平穩(wěn)均勻。輸出速度應(yīng)基本不變，而且保持平穩(wěn)均勻。 4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)快動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 即有高的靈敏度，達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間要短，一般要求即有高的靈敏度，達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間要短，一般要求在在200100ms，甚至小于幾十毫秒。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢，反映了系統(tǒng)跟蹤精度的，甚至小于幾十毫秒。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢，反映了系統(tǒng)跟蹤精度的高低，直接影響輪廓加工精度的高低和加工高低，直接影響輪廓加工精度的高低和加工表面質(zhì)量的好壞。表面質(zhì)量的好壞。 伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，按有無(wú)位置伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，按有無(wú)位置檢測(cè)和反饋有以下三種：檢測(cè)和反饋有以下三種： l 開環(huán)伺服系統(tǒng)開

5、環(huán)伺服系統(tǒng)l 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置控制器脈沖串方向脈沖相電壓 l 開環(huán)伺服系統(tǒng)組成開環(huán)伺服系統(tǒng)組成 由控制器送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，由控制器送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，無(wú)需無(wú)需位置檢測(cè)裝置位置檢測(cè)裝置。 系統(tǒng)的位置精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度系統(tǒng)的位置精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度、齒輪絲杠等傳齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的導(dǎo)程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。動(dòng)元件的導(dǎo)程或節(jié)距精

6、度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。 位置精度較低位置精度較低，其定位精度一般可達(dá)，其定位精度一般可達(dá)0.02mm。如果采取螺距誤。如果采取螺距誤差補(bǔ)償和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償?shù)却胧?，定位精度可提高到差補(bǔ)償和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償?shù)却胧ㄎ痪瓤商岣叩?.01mm。此外，。此外，由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度也受到限制進(jìn)給速度也受到限制，在脈，在脈沖當(dāng)量為沖當(dāng)量為0.01mm時(shí)，一般不超過(guò)時(shí)，一般不超過(guò)5m/min。 l 開環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)開環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器信號(hào)處理+實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)+編碼器編碼器伺服電機(jī)伺服電機(jī)位置指令 l 半

7、閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成半閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成 l 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點(diǎn) 將檢測(cè)裝置裝在伺服電機(jī)軸或傳動(dòng)裝置末端，將檢測(cè)裝置裝在伺服電機(jī)軸或傳動(dòng)裝置末端，間接測(cè)量移動(dòng)部件位移來(lái)進(jìn)行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)間接測(cè)量移動(dòng)部件位移來(lái)進(jìn)行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)稱為稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，將編碼器和伺服電機(jī)作在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，將編碼器和伺服電機(jī)作為一個(gè)整體，編碼器完成角位移檢測(cè)和速度檢測(cè)，為一個(gè)整體，編碼器完成角位移檢測(cè)和速度檢測(cè)，用戶無(wú)需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問(wèn)題。這種形式用戶無(wú)需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問(wèn)題。這種形式的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備上得到廣泛的的半閉環(huán)伺服系

8、統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備上得到廣泛的采用。采用。位置指令位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測(cè)+實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)位置檢測(cè)+伺服電機(jī)伺服電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)或編碼器 l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成 將檢測(cè)裝置裝在移動(dòng)部件上，直接測(cè)量移動(dòng)部件的實(shí)際位移來(lái)進(jìn)將檢測(cè)裝置裝在移動(dòng)部件上，直接測(cè)量移動(dòng)部件的實(shí)際位移來(lái)進(jìn)行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)稱為行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)只能補(bǔ)償部分誤差，因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)只能補(bǔ)償部分誤差，因此，半閉環(huán)伺

9、服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些。精度要低一些。 由于采用了位置檢測(cè)裝置，所以，閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的位置精度在其由于采用了位置檢測(cè)裝置，所以，閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的位置精度在其他因素確定之后，主要取決于檢測(cè)裝置的分辨率和精度。他因素確定之后，主要取決于檢測(cè)裝置的分辨率和精度。 閉環(huán)和半閉環(huán)閉環(huán)和半閉環(huán)伺服伺服系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧宋恢脵z測(cè)裝置，所以在結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧宋恢脵z測(cè)裝置，所以在結(jié)構(gòu)上較開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜。另外，由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分或全部包含在系較開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜。另外，由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分或全部包含在系統(tǒng)之內(nèi)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率、阻尼、間隙等將成為系統(tǒng)不穩(wěn)定統(tǒng)之內(nèi)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率、阻尼、間

10、隙等將成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素，因此，閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試都較開環(huán)系統(tǒng)困難。的因素，因此，閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試都較開環(huán)系統(tǒng)困難。 l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)特征閉環(huán)伺服系統(tǒng)特征 在全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，控制器直接將位置指令以數(shù)字信在全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，控制器直接將位置指令以數(shù)字信號(hào)的形式傳送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)裝置本身具有位置和速號(hào)的形式傳送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)裝置本身具有位置和速度控制功能。度控制功能。 控制器與伺服驅(qū)動(dòng)裝置之間通過(guò)總線相互傳遞如下信息：控制器與伺服驅(qū)動(dòng)裝置之間通過(guò)總線相互傳遞如下信息：l 位置指令和實(shí)際位置位置指令和實(shí)際位置l 速度指令和實(shí)際速度速度指令和實(shí)際速度l

11、 轉(zhuǎn)矩指令和實(shí)際轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩指令和實(shí)際轉(zhuǎn)矩l 伺服系統(tǒng)及伺服電機(jī)參數(shù)伺服系統(tǒng)及伺服電機(jī)參數(shù)l 伺服狀態(tài)和報(bào)警伺服狀態(tài)和報(bào)警l 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)全數(shù)字式伺服系統(tǒng) CNC 第第 n 軸伺服單元軸伺服單元 第第 1 軸伺服單元軸伺服單元SMPC總線總線總線總線SMPC 控制器 第第 n 軸伺服單元軸伺服單元 第第 1 軸伺服單元軸伺服單元SMPC總線總線總線總線SMPC l 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成 l 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)特點(diǎn)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)特點(diǎn)1. 系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)節(jié)的調(diào)整由軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)節(jié)的調(diào)整由軟件實(shí)現(xiàn)。2. 具有較高的動(dòng)、靜態(tài)特性。在檢測(cè)靈敏度、溫度漂移

12、、噪聲及抗干擾等方面具有較高的動(dòng)、靜態(tài)特性。在檢測(cè)靈敏度、溫度漂移、噪聲及抗干擾等方面都優(yōu)于模擬式伺服系統(tǒng)。都優(yōu)于模擬式伺服系統(tǒng)。3. 引入前饋控制，構(gòu)成了具有反饋和前饋復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。引入前饋控制，構(gòu)成了具有反饋和前饋復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4. 由于全數(shù)字式伺服系統(tǒng)采用總線通信方式，極大地減小了連接電纜，便于設(shè)由于全數(shù)字式伺服系統(tǒng)采用總線通信方式，極大地減小了連接電纜，便于設(shè)備安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)通過(guò)顯示終端實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服狀態(tài)。備安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)通過(guò)顯示終端實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服狀態(tài)。 當(dāng)前當(dāng)前 ，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。，全數(shù)字式交流

13、伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。全數(shù)字式交流伺服可作速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制，接受指令脈沖或模擬電壓指令全數(shù)字式交流伺服可作速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制，接受指令脈沖或模擬電壓指令信號(hào)，并自帶位置環(huán)，具有豐富的自診斷、報(bào)警功能。各控制參數(shù)通過(guò)以下方信號(hào)，并自帶位置環(huán)，具有豐富的自診斷、報(bào)警功能。各控制參數(shù)通過(guò)以下方法用數(shù)字方式設(shè)定：法用數(shù)字方式設(shè)定：l 通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置上的顯示器和按鍵進(jìn)行設(shè)定通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置上的顯示器和按鍵進(jìn)行設(shè)定l 通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置上的通信接口與上位機(jī)通信進(jìn)行設(shè)定通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置上的通信接口與上位機(jī)通信進(jìn)行設(shè)定l 通過(guò)可分離式編程器和驅(qū)動(dòng)裝置上的接口進(jìn)行設(shè)定通過(guò)可分離式編程器和驅(qū)動(dòng)裝置上

14、的接口進(jìn)行設(shè)定 控制器控制器總線總線驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置顯示設(shè)定窗口顯示設(shè)定窗口編碼器信號(hào)線編碼器信號(hào)線三相電三相電源進(jìn)線源進(jìn)線伺服電機(jī)伺服電機(jī)三相電源三相電源 l PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS（Process Fildbus的縮寫）是一種國(guó)際性的、開放的縮寫）是一種國(guó)際性的、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為他們式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為他們生產(chǎn)的設(shè)備提供生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。接口。PROFIBUS可使分散式數(shù)字控制可使分散式數(shù)字控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為主站和從站。主器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間

15、級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為主站和從站。主站組成令牌環(huán)網(wǎng)，發(fā)送權(quán)以令牌形式在主站之間循環(huán)，得到令牌的站組成令牌環(huán)網(wǎng)，發(fā)送權(quán)以令牌形式在主站之間循環(huán)，得到令牌的主站再將令牌沿環(huán)傳遞給下一個(gè)主站，在這一確定的時(shí)間內(nèi)，可以主站再將令牌沿環(huán)傳遞給下一個(gè)主站，在這一確定的時(shí)間內(nèi)，可以任意發(fā)送或接受其他總線設(shè)備的信息。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，任意發(fā)送或接受其他總線設(shè)備的信息。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息；從當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息；從站為外圍設(shè)備，包括輸入輸出裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)量變送器等，從站為外圍設(shè)備，包括輸入輸出裝置、驅(qū)動(dòng)裝

16、置和測(cè)量變送器等，從站沒(méi)有總線控制權(quán)。僅對(duì)接受到的信息給予確認(rèn)，或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)站沒(méi)有總線控制權(quán)。僅對(duì)接受到的信息給予確認(rèn)，或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向主站發(fā)送信息。求時(shí)向主站發(fā)送信息。 主站主站主站主站主站主站從站從站從站從站從站從站控制器控制器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)1計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)2PLC變頻器變頻器伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng) SERCOS是串行實(shí)時(shí)通信協(xié)議（是串行實(shí)時(shí)通信協(xié)議（Serial Real Time Communication Specification）。）。SERCOS采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，適用于分布式多軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)字控制。采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，適用于分布式多軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)字控制。SERCOS接口接口控制器控制器伺服驅(qū)

17、動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)SERCOS接口接口SMPCMSTMSTMDTAT1AT2ATn主站同步數(shù)據(jù)主站同步數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù)伺服數(shù)據(jù)伺服數(shù)據(jù)指令周期指令周期 l 增益調(diào)整增益調(diào)整 增益是伺服系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，它對(duì)穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能都有很增益是伺服系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，它對(duì)穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能都有很大的影響，增益大，則系統(tǒng)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)誤差小。但并非系統(tǒng)的增益越大的影響，增益大，則系統(tǒng)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)誤差小。但并非系統(tǒng)的增益越高越好，當(dāng)速度突變時(shí)，高增益可能導(dǎo)致輸出變化劇烈，機(jī)械裝置要受高越好，當(dāng)速度突變時(shí)，高增益可能導(dǎo)致輸出變化劇烈，機(jī)械裝置要受到較大的沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。到較大的沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。l

18、 加減速時(shí)間設(shè)定加減速時(shí)間設(shè)定 加減速用加減速時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)設(shè)定，加減速時(shí)間越短，速度變化大，加減速用加減速時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)設(shè)定，加減速時(shí)間越短，速度變化大，系統(tǒng)易引起振蕩；反之，系統(tǒng)的響應(yīng)性變慢。加減速有線性加減速和指系統(tǒng)易引起振蕩；反之，系統(tǒng)的響應(yīng)性變慢。加減速有線性加減速和指數(shù)加減速。在線性加減速中，加速度有突變，應(yīng)根據(jù)負(fù)載慣量核算最大數(shù)加減速。在線性加減速中，加速度有突變，應(yīng)根據(jù)負(fù)載慣量核算最大可達(dá)到的加速度，從而確定加速到最大速度所需要的時(shí)間；在指數(shù)加減可達(dá)到的加速度，從而確定加速到最大速度所需要的時(shí)間；在指數(shù)加減速中，加速度變化無(wú)突變，速度變化平穩(wěn)，必須設(shè)定加減速總時(shí)間和加速中，加速度變

19、化無(wú)突變，速度變化平穩(wěn)，必須設(shè)定加減速總時(shí)間和加減速升降速時(shí)間。減速升降速時(shí)間。 taavtOv、aavtv、aOtat1t2線性加減速線性加減速指數(shù)加減速指數(shù)加減速 l 阻尼阻尼l 剛度剛度 運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械部件易產(chǎn)生振動(dòng)，其振幅取決于系統(tǒng)的阻尼和固有頻率，運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械部件易產(chǎn)生振動(dòng)，其振幅取決于系統(tǒng)的阻尼和固有頻率，系統(tǒng)的阻尼越大，振幅越小，且衰減越快。運(yùn)動(dòng)副（特別是導(dǎo)軌）的摩擦阻系統(tǒng)的阻尼越大，振幅越小，且衰減越快。運(yùn)動(dòng)副（特別是導(dǎo)軌）的摩擦阻尼占主導(dǎo)地位，實(shí)際應(yīng)用中一般將摩擦阻尼簡(jiǎn)化為粘性摩擦阻尼。系統(tǒng)的粘尼占主導(dǎo)地位，實(shí)際應(yīng)用中一般將摩擦阻尼簡(jiǎn)化為粘性摩擦阻尼。系統(tǒng)的粘性摩擦阻尼越大，系

20、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越大，精度越低。對(duì)于質(zhì)量大、剛度低的性摩擦阻尼越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越大，精度越低。對(duì)于質(zhì)量大、剛度低的機(jī)械系統(tǒng)，為了減小振幅，加速衰減?？稍龃笳承阅Σ磷枘?。機(jī)械系統(tǒng)，為了減小振幅，加速衰減?？稍龃笳承阅Σ磷枘?。 剛度為使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。對(duì)閉環(huán)伺服系統(tǒng)而言，剛度為使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。對(duì)閉環(huán)伺服系統(tǒng)而言，剛度越大，穩(wěn)定性越好。廣義講，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙也是影響剛度大小的重剛度越大，穩(wěn)定性越好。廣義講，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙也是影響剛度大小的重要因數(shù)。間隙的主要形式有齒輪傳動(dòng)的齒側(cè)間隙、絲杠螺母的傳動(dòng)間隙、要因數(shù)。間隙的主要形式有齒輪傳動(dòng)的齒側(cè)間隙、絲杠螺母的傳動(dòng)間

21、隙、絲杠軸承的軸向間隙以及聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等，必須采取消隙措施，以提絲杠軸承的軸向間隙以及聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等，必須采取消隙措施，以提高傳動(dòng)剛度。高傳動(dòng)剛度。 l 諧振諧振 對(duì)于質(zhì)量為對(duì)于質(zhì)量為m、抗壓剛度系數(shù)為、抗壓剛度系數(shù)為k的單自由度直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，的單自由度直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其固有頻率其固有頻率為為 對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J、扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)為、扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)為k的單自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，的單自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其固有頻率其固有頻率為為mk21Jk21 當(dāng)外界的激振頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)當(dāng)外界的激振頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而不能正常工作。機(jī)械部件的諧振頻率

22、必須大于電氣驅(qū)動(dòng)生諧振而不能正常工作。機(jī)械部件的諧振頻率必須大于電氣驅(qū)動(dòng)部件的諧振頻率。部件的諧振頻率。 電動(dòng)機(jī)的輸出功率在產(chǎn)品樣本或銘牌上都有明確表示。在一般情況下，電動(dòng)機(jī)的輸出功率在產(chǎn)品樣本或銘牌上都有明確表示。在一般情況下，設(shè)計(jì)者在選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，只要從電動(dòng)機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)速、保護(hù)方式三方面設(shè)計(jì)者在選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，只要從電動(dòng)機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)速、保護(hù)方式三方面考慮選擇電動(dòng)機(jī)就可以了。但在伺服驅(qū)動(dòng)中，還必須考慮伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載考慮選擇電動(dòng)機(jī)就可以了。但在伺服驅(qū)動(dòng)中，還必須考慮伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載特性。在伺服驅(qū)動(dòng)中，它所帶的負(fù)載大多為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其特性。在伺服驅(qū)動(dòng)中，它所帶的負(fù)載大多為恒

23、轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本不變。這就是說(shuō)，在使用中只要轉(zhuǎn)矩為額定值，即使轉(zhuǎn)速不同，負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本不變。這就是說(shuō)，在使用中只要轉(zhuǎn)矩為額定值，即使轉(zhuǎn)速不同，溫升變化也不大，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)處于額定運(yùn)行，這時(shí)的輸出功率即為額定功率。溫升變化也不大，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)處于額定運(yùn)行，這時(shí)的輸出功率即為額定功率。即伺服電動(dòng)機(jī)在出廠時(shí)給出額定轉(zhuǎn)矩后，其額定功率都是由用戶決定的，這即伺服電動(dòng)機(jī)在出廠時(shí)給出額定轉(zhuǎn)矩后，其額定功率都是由用戶決定的，這一點(diǎn)與選用普通的電動(dòng)機(jī)是由很大區(qū)別的。一點(diǎn)與選用普通的電動(dòng)機(jī)是由很大區(qū)別的。 伺服電動(dòng)機(jī)很少工作在恒速運(yùn)行狀態(tài)，而多數(shù)是工作在頻繁的起動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)很少工作在恒速運(yùn)行狀態(tài)，

24、而多數(shù)是工作在頻繁的起動(dòng)-停停止?fàn)顟B(tài)，止?fàn)顟B(tài)，在加速和減速時(shí)必須輸出在加速和減速時(shí)必須輸出35倍的額定轉(zhuǎn)矩倍的額定轉(zhuǎn)矩，電流也成比例地上升，電流也成比例地上升，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱近似與電流平方成比例。電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱近似與電流平方成比例。 在樣本或銘牌上給出的輸出功率是指電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，在樣本或銘牌上給出的輸出功率是指電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，溫升不超過(guò)規(guī)定時(shí)的輸出功率。這一功率是按可以穩(wěn)定運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速和額溫升不超過(guò)規(guī)定時(shí)的輸出功率。這一功率是按可以穩(wěn)定運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來(lái)的。在選擇伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，不能單純從電動(dòng)機(jī)負(fù)載所需的功定轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來(lái)的。在選擇伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，不能單純從

25、電動(dòng)機(jī)負(fù)載所需的功率出發(fā)，還必須充分考慮負(fù)載機(jī)械所要求的運(yùn)動(dòng)模式和轉(zhuǎn)矩模式，用不同的率出發(fā)，還必須充分考慮負(fù)載機(jī)械所要求的運(yùn)動(dòng)模式和轉(zhuǎn)矩模式，用不同的控制方式可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)模式控制方式可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)模式 計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的等效慣量。從伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式和轉(zhuǎn)矩模式計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的等效慣量。從伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式和轉(zhuǎn)矩模式來(lái)看，在大多數(shù)情況下是處于過(guò)渡過(guò)程狀態(tài)之中，除了要考慮增大電來(lái)看，在大多數(shù)情況下是處于過(guò)渡過(guò)程狀態(tài)之中，除了要考慮增大電流和功率之外，還必須充分考慮過(guò)渡過(guò)程的快速性問(wèn)題。應(yīng)該考慮計(jì)流和功率之外，還必須充分考慮過(guò)渡過(guò)程的快速性問(wèn)題。應(yīng)該考慮計(jì)算負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣

26、量大小問(wèn)題。從轉(zhuǎn)子慣量大算負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小問(wèn)題。從轉(zhuǎn)子慣量大小來(lái)看，伺服電動(dòng)機(jī)一般可分為超低慣量、低慣量、中慣量等幾個(gè)檔小來(lái)看，伺服電動(dòng)機(jī)一般可分為超低慣量、低慣量、中慣量等幾個(gè)檔次。在負(fù)載機(jī)械起、制動(dòng)頻繁的場(chǎng)合，可選慣量小一些的伺服電動(dòng)機(jī)，次。在負(fù)載機(jī)械起、制動(dòng)頻繁的場(chǎng)合，可選慣量小一些的伺服電動(dòng)機(jī)，在要求低速運(yùn)行平穩(wěn)而又不頻繁起、制動(dòng)時(shí)，則宜選擇慣量值較大的在要求低速運(yùn)行平穩(wěn)而又不頻繁起、制動(dòng)時(shí)，則宜選擇慣量值較大的伺服電動(dòng)機(jī)。另外，伺服電動(dòng)機(jī)。另外，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載等效慣量通常要限制在折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載等效慣量通常要限制在2.5倍的電動(dòng)機(jī)慣量之內(nèi)倍的電動(dòng)

27、機(jī)慣量之內(nèi)，使之既保證過(guò)渡過(guò)程的快速性，又不產(chǎn)生，使之既保證過(guò)渡過(guò)程的快速性，又不產(chǎn)生顯著的振蕩，保持平穩(wěn)，這也是在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)要考慮的一個(gè)因素。顯著的振蕩，保持平穩(wěn)，這也是在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)要考慮的一個(gè)因素。說(shuō)明書中有選擇慣量的推薦值。說(shuō)明書中有選擇慣量的推薦值。 T1T2T3vv、TtO起動(dòng)起動(dòng) t1運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng) t2制動(dòng)制動(dòng) t3停止停止 t4T4=0 T1T2T3v1v、TtO起動(dòng)起動(dòng) t1快進(jìn)快進(jìn) t2工進(jìn)工進(jìn)t4停止停止 t6減速減速t3制動(dòng)制動(dòng) t5T 4T 5v2T6=0 T1T2v、TtO起動(dòng)起動(dòng) t1制動(dòng)制動(dòng) t2停止停止 t3T3=0 niiniiinnnettTtttttTtT

28、tTtTT1123212323222121.有效負(fù)載轉(zhuǎn)矩有效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 m=500kg（工作臺(tái)、工件）（工作臺(tái)、工件）fd=0.065ts=8mm、Js=100kgcm2工作臺(tái)工作臺(tái)工件工件fs=0.3i=0.86Jz1=20kgcm2Jz2=30kgcm2傳動(dòng)效率傳動(dòng)效率=0.9 t2=4sT1T2T3vv、TtO t1=0.5sT4=0 t3=0.5s t4=1s 1.額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算1）工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩）工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩Tp=67.5Ncm2）絲杠預(yù)緊后的附加轉(zhuǎn)矩）絲杠預(yù)緊后的附加轉(zhuǎn)矩Ts=4.1Ncm 總負(fù)載轉(zhuǎn)矩總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL=Tp+Ts=71.6Ncm2.慣量計(jì)算慣量

29、計(jì)算1）運(yùn)動(dòng)部件折算到電機(jī)軸上的等效慣）運(yùn)動(dòng)部件折算到電機(jī)軸上的等效慣 量量JpD=23.6kgcm22）絲杠和齒輪折算到電機(jī)軸上的等效）絲杠和齒輪折算到電機(jī)軸上的等效慣量慣量JsD=96.1kgcm 電機(jī)軸上總等效慣量電機(jī)軸上總等效慣量 JD=JpD+JsD+Jz2=139.7kgcm23.電機(jī)選擇電機(jī)選擇1）電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量）電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM=356.7kgcm2JM/JD=356.7/139.7=2.552.5 （ 符合要求）符合要求）2）負(fù)載和電機(jī)總慣量負(fù)載和電機(jī)總慣量 J=JD+JM=496.4kgcm2 3）電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩）電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩TN=3Nm 4）電機(jī)轉(zhuǎn)速）電機(jī)轉(zhuǎn)速nN=7

30、50r/min 4.加減速轉(zhuǎn)矩計(jì)算加減速轉(zhuǎn)矩計(jì)算1）加速轉(zhuǎn)矩）加速轉(zhuǎn)矩T1=292.2Ncm2）勻速轉(zhuǎn)矩）勻速轉(zhuǎn)矩T2=71.6Ncm3）減速轉(zhuǎn)矩）減速轉(zhuǎn)矩T3=292.2Ncm5.有效負(fù)載轉(zhuǎn)矩有效負(fù)載轉(zhuǎn)矩256.215 . 045 . 05 . 0292.246 .715 . 0292.22224321424333222121tttttTtTtTtTTe6.結(jié)論結(jié)論因?yàn)橐驗(yàn)?TNTe所以所以 電機(jī)選擇符合要求電機(jī)選擇符合要求 Ncm=2.6Nm SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEMl 系統(tǒng)組成及連接系統(tǒng)組成及連接 SANYO BL Super P s

31、eries AC SERVO SYSTEMl 伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成Pulsetrain typeElectronic gearPositionloop gainAcceleration/deceleration time Speed loopproportionalgain integraltime constant Currentcommandnotch filter Currentcommandloop pass filterCurrentSMPC Frequencyquadruplier Feed forward gainFeed forward commandLow pass fi

32、lter Output pulsefrequency divisionAB Command pulse SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEMl 用戶參數(shù)設(shè)定用戶參數(shù)設(shè)定 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制器 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器是美國(guó)運(yùn)動(dòng)控制器是美國(guó)Delta Tau數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)公司的產(chǎn)品。借助于公司的產(chǎn)品。借助于Motorola的的DSP 56系列數(shù)字系列數(shù)字信號(hào)處理器，信號(hào)處理器，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器可以同時(shí)操縱運(yùn)動(dòng)控制器可以同時(shí)操縱18根軸。由于每一根軸都是完全獨(dú)立的，一個(gè)根軸。由于每一根軸都是完全獨(dú)立的，一個(gè)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器可以操縱運(yùn)動(dòng)控制器可以操縱

33、8臺(tái)不同機(jī)器的臺(tái)不同機(jī)器的8根單根單軸，或者同一臺(tái)機(jī)器的軸，或者同一臺(tái)機(jī)器的8根軸，或者兩者之間的任根軸，或者兩者之間的任意組合。意組合?？偩€：總線：PC、VME、STD32、 PCI、PC104電機(jī)類型：電機(jī)類型：直流伺服電動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī) 、 交 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)機(jī) 、 交 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)（BLDCM、PMSM）、）、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)反饋：反饋：增量式編碼器、絕增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、對(duì)式編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、直線電壓位移傳感器或電直線電壓位移傳感器或電位計(jì)、激光干涉儀、磁致位計(jì)、激光干涉儀、磁致伸縮位移傳感器伸縮位移傳感器控 制 碼 ：控 制 碼 ： P M

34、A C （ 類（ 類BASIC ASIC命令）、命令）、G代碼代碼l 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介 l 伺服組成框圖伺服組成框圖 速度和加速度前饋可以減小伺服系統(tǒng)的軌跡誤差。速度前饋的作用速度和加速度前饋可以減小伺服系統(tǒng)的軌跡誤差。速度前饋的作用是減少微分增益或測(cè)速環(huán)路阻尼所引起的跟蹤誤差；慣性所帶來(lái)的跟蹤是減少微分增益或測(cè)速環(huán)路阻尼所引起的跟蹤誤差；慣性所帶來(lái)的跟蹤誤差與加速度成正比，因此可以由加速度前饋來(lái)補(bǔ)償。數(shù)字階式濾波器誤差與加速度成正比，因此可以由加速度前饋來(lái)補(bǔ)償。數(shù)字階式濾波器可以解決機(jī)械諧振的問(wèn)題?？梢越鉀Q機(jī)械諧振的問(wèn)題。 l 從動(dòng)控制從動(dòng)控制 在車床上加工在車床上加工多線螺紋，多線螺紋，PMAC

35、將將Z軸從動(dòng)于主軸編軸從動(dòng)于主軸編碼器，使刀具速度碼器，使刀具速度跟蹤主軸速度，從跟蹤主軸速度，從而得到恒定的螺距，而得到恒定的螺距，這可以在時(shí)基模式這可以在時(shí)基模式下完成。為主軸定下完成。為主軸定義一個(gè)義一個(gè)“實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)”速速度，并以此設(shè)置時(shí)度，并以此設(shè)置時(shí)基常數(shù)。在主軸運(yùn)基常數(shù)。在主軸運(yùn)行于實(shí)時(shí)速度的前行于實(shí)時(shí)速度的前提下為從動(dòng)軸編寫提下為從動(dòng)軸編寫程序，時(shí)基控制將程序，時(shí)基控制將會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償主軸速會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償主軸速度的變化。度的變化。 l 從動(dòng)控制從動(dòng)控制*Set-up and Definitions*&1 ; Define axes in Coordinate System 1#11

36、0000X ; Motor 1 is X at 10000 cts/in(radial)#210000Z ; Motor 2 is Z at 10000 cts/in(radial)spindle encoder has 1024 lines/rev or 4096 cts/rev ,At real-timesspeed of 3000 rpm(50 rps),encoder frequency is 204.8 cts/msecBy formula,the time-base constant is 131,072/204.8=640.WY:1833,640 ; Set time-base

37、constant (at address 1833)193=1833 ; Tell Coordinate System 1 to use this ; Address as the time-base source 加工一個(gè)加工一個(gè)5螺距（每英寸螺距（每英寸5線）螺桿。設(shè)主軸轉(zhuǎn)速為線）螺桿。設(shè)主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，則切削速度，則切削速度為為10in/s。為了使刀具與每道螺紋配準(zhǔn)（。為了使刀具與每道螺紋配準(zhǔn)（20ms/r），每個(gè)循環(huán)的程序時(shí)間必須精），每個(gè)循環(huán)的程序時(shí)間必須精確地為確地為20ms的倍數(shù)。的倍數(shù)。*Motion Program Text*OPEN PROG 77 CLEAR

38、 ; Prepare buffer 77 for entryP100=3.00 ; X(radial)dimension of outside of storkP101=P100 ; Starting location of cutRAPID X(P1000.1)Z2 ; Move quickly to starting positionWHILE(P1013.10) ；Loop until 0.1 inches deep P101=P101+0.01 ; Increase depth 0.01 inches deep TM100 ; 100msec “plunge” time X(P101)

39、 ; Radial axis into siock(“Plunge”) TM(24*1000/10) ; 24 inches at 10 in/sec(in msec) Z26 ; Mark threading pass for 24 inches(26-2) TM60 ; 60 msec retract time X(P1000.1) ; Retract to just outside of stock TM(24*1000/30) ; 24 inches at 30 in/sec(in msec) Z2 ; Reverse move for nest pass ; Total time for moves in loop is ; 100+2400+60+800=3360 msec，which is an ; exact multiple of 20 msec，or 1 spindle revENDWHILE ; End of loopRAPID X0 Z0 ; Return to home positionCLOSE l 運(yùn)動(dòng)中的位置匹配運(yùn)動(dòng)中的位置匹配 在