機(jī)電一體化自學(xué)課件第六章.

1、第六章 伺服系統(tǒng) 第一節(jié) 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械量，諸如位移、速度、加速度、力和力矩等作為被控量的一種類型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱伺服機(jī)構(gòu)。例如在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收來自插補(bǔ)器的進(jìn)給脈沖，經(jīng)放大和變換后轉(zhuǎn)化為機(jī)床工作臺(tái)的位移。對伺服系統(tǒng)的要求是快速性、精確性和穩(wěn)定性，即輸出量迅速而精確地響應(yīng)指令輸入的變化。 伺服系統(tǒng)通常用經(jīng)典控制理論來分析和設(shè)計(jì)。建立伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法一般分為分析法和實(shí)驗(yàn)法。分析法是利用穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，從理論上進(jìn)行分析推導(dǎo)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)法則是以實(shí)物測試為基礎(chǔ)來建立數(shù)學(xué)模型。在大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)并不具備完整的實(shí)物系統(tǒng)，常需先通過理

2、論分析計(jì)算提供初步方案，然后進(jìn)行局部試驗(yàn)或試制樣機(jī)，進(jìn)一步形成一個(gè)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法。 伺服系統(tǒng)常按控制原理、被控量的性質(zhì)、驅(qū)動(dòng)方式和執(zhí)行元件等類型分類。伺服系統(tǒng)按其控制原理可分為開環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)控制三種形式，按其被控量的性質(zhì)可分為速度、位置、同步、扭矩控制等形式，按其驅(qū)動(dòng)方式可分為電氣伺服、空壓伺服、油壓伺服等形式，按其執(zhí)行元件可分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服等形式。開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件大多采用步進(jìn)電機(jī)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件大多采用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。伺服系統(tǒng)是構(gòu)成機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要部分之一。如數(shù)控機(jī)床是由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機(jī)床等部分組成。伺服系統(tǒng)接受控制系統(tǒng)來

3、的指令信息，并嚴(yán)格按照信息的要求帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。它相當(dāng)于人的手，使工作臺(tái)能按規(guī)定的軌跡作相對運(yùn)動(dòng)，最后加工出符合圖紙要求的零件。選擇伺服系統(tǒng)時(shí)要從驅(qū)動(dòng)部件所需功率、控制精度、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面考慮。即要選擇適用范圍的伺服系統(tǒng)和適當(dāng)精度控制方式的伺服系統(tǒng)，以及簡單的機(jī)械傳動(dòng)方案。 對不同的機(jī)電一體化設(shè)備，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件時(shí)所需功率的差異很大。在確定驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，一般從輸出功率與響應(yīng)頻率兩個(gè)方面綜合選擇。油壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)輸出功率大、響應(yīng)頻率高。空壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)響應(yīng)頻率低但輸出功率大。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)，對不同的伺服電機(jī)具有不同的要求，因此具有所選擇的輸出功率范圍大、響應(yīng)頻率寬的特點(diǎn)。在機(jī)電

4、一體化產(chǎn)品中，常采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)。1、空壓伺服 2、步進(jìn)電機(jī)和兩相交流感應(yīng)電機(jī) 3、微小驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)和螺線管傳動(dòng) 4、移動(dòng)線圈直線電機(jī) 5、AC電機(jī)(無刷DC電機(jī)) 6、DC 電機(jī) 7、油壓伺服伺服系統(tǒng)適用范圍 第二節(jié) 伺服電機(jī)的選擇 一、伺服電機(jī)類型的選擇 伺服電機(jī)的選擇與普通電機(jī)不同。伺服電機(jī)調(diào)速特性與電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)、性能及其控制 電路有關(guān)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是DC伺服電機(jī)、無刷DC伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，其特點(diǎn)及其應(yīng)用見表。（131） 機(jī)電一體化對伺服電機(jī)性能的基本要求如下： 1)性能密度大，即功率密度和比功率大。電機(jī)功率密度的定義為單位重量W的輸出功率P，即 P = 電機(jī)比功率(單位為

5、W/s)的定義為：mNJTdtdP2WP/NTTNdtdTTdtddtdP)(式中 Pw功率密度(WN)； P電機(jī)的輸出功率(W)； 電機(jī)的角速度(rads)； TN電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩(Nm)。 又電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為dtdJTmN因此有：dtdJTmN 式中 Jm電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2) 在不同的應(yīng)用場合，對伺服電機(jī)的性能密度的要求不同。對于啟停頻率低(如幾十次 min)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn) 定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如NC工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；對于啟停頻率高(如數(shù)百次min)，但不特別要求低速平穩(wěn)

6、性能的機(jī)械設(shè)備，如高性能 打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等，高的比功率是主要的性能指標(biāo)。在額定輸出功率相同的條件下，無刷伺服電機(jī)的比功率最高依次為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。 2)快速性好，即加減速扭矩大，頻率特性好。 3)位置控制精度高，包括調(diào)速范圍寬(速比1 10000以上)，低速運(yùn)行平穩(wěn)、分辨率 高。 4)適應(yīng)啟停頻繁的工作要求。 5)振動(dòng)和噪聲小。 6)可靠性高，壽命長。 二、伺服電機(jī)的工作特性及選用 (一)寬調(diào)速直流伺服電機(jī) 寬調(diào)速直流伺服電機(jī)分為電勵(lì)磁和永久磁鐵兩種。電勵(lì)磁的特點(diǎn)是勵(lì)磁量便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)償繞組和換向極，電機(jī)的換向性能得到改善，成本低，可以在較

7、寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)矩特性。永久磁鐵一般沒有換向極和補(bǔ)償繞組，其換向性能受到一定限制，但它不需要?jiǎng)?lì)磁功率，因而效率高，電機(jī)在低速時(shí)輸出較大轉(zhuǎn)矩。此外這種結(jié)構(gòu)溫升低，電機(jī)直徑可以做得小些，加上目前永磁材料性能不斷提高，成本逐漸下降，因此這種結(jié)構(gòu)用得較多。 寬調(diào)速直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)： 1)電機(jī)輸出力矩大。在相同的轉(zhuǎn)子外徑和電樞電流情況下，其設(shè)計(jì)的力矩系數(shù)較大，所以可產(chǎn)生較大力矩，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和慣量比值增大，因而可滿足足夠快的加減速要求。在低速時(shí)能輸出較大力矩，能直接驅(qū)動(dòng)絲桿、簡化結(jié)構(gòu)、降低成本且提高了精度。 2)電機(jī)過載能力強(qiáng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子有槽，熱容量大，因而熱時(shí)間常數(shù)大，耐熱性能好，可以過載運(yùn)行幾

8、十分鐘。 3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。電機(jī)定子采用高性能永磁材料，具有很高的矯頑力和足夠的尺寸厚度，提高了電機(jī)效率，又沒有勵(lì)磁損耗，去磁臨界電流可取得大，能產(chǎn)生1015倍的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，而不出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，從而使動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高。 4)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑大，電機(jī)槽和換向片數(shù)可以增多，使電機(jī)的輸出力矩波動(dòng)減小，有利于電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 5)易于調(diào)速。 (二)寬調(diào)速直流伺服電機(jī)的工作特性及選用 寬調(diào)速直流伺服電機(jī)的工作特性是由一些參數(shù)和特性曲線所限定的。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨加工條件和運(yùn)行條件不同。 表62是FB15型、FB25型直流伺服電機(jī)的技術(shù)規(guī)范。表中數(shù)值是在電機(jī)溫度為25。C、驅(qū)動(dòng)電流為純直

9、流時(shí)得出的。 反電勢常數(shù)-kV(Vs/rad)表示了永磁磁場強(qiáng)度。它是當(dāng)電樞在磁場中按規(guī)定速度機(jī)械旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的電壓值。 轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt(N m/A)是轉(zhuǎn)矩靈敏度，表示每安培電流能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。該值通常是 在額定電流下測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩得到的。 機(jī)械時(shí)間常數(shù)tm(ms)是速度上升初始變化率的函數(shù)。定義為施加一個(gè)階躍電壓時(shí)電機(jī)電樞達(dá)到整個(gè)速度632時(shí)所需的時(shí)間。 熱時(shí)間常數(shù)Tt(min)是在額定電流時(shí)繞組溫度上升初始變化率的函數(shù)。它被定義為達(dá)到整個(gè)溫升632時(shí)所需時(shí)間。 圖62為FB-15型直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線，也稱工作曲線。 圖62a、b、c、d、e五條曲線組成了電機(jī) 的三個(gè)區(qū)域，描述了

10、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和速度之間的關(guān)系。在規(guī)定的連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，速度和轉(zhuǎn)矩的任何組合都可長時(shí)間連續(xù)工作，而在斷續(xù)工作區(qū)， 電機(jī)只允許短時(shí)間工作或周期間歇工作，即工作一段時(shí)間停歇一段時(shí)間，間歇循環(huán)允許工作時(shí)間的長短因載荷大小而異。加減速區(qū)的意思是指電機(jī)在該區(qū)域中僅供加減速期間工作。 曲線a為電機(jī)溫度限制，在此曲線上，電機(jī)達(dá)到絕緣所允許的極限值，故只允許電機(jī)在此曲線內(nèi)長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。曲線c為FB15型直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩- 速度特征曲線電機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制線，隨著轉(zhuǎn)速上升，電樞電壓升高，整流子片間電壓加大，超過一定值有發(fā)生環(huán)火的危險(xiǎn)。最大轉(zhuǎn)矩d主要受永磁材料的去磁特性所限制，當(dāng)除磁超過某值后，鐵氧體磁性發(fā)生變化。 選

11、用寬調(diào)速直流電機(jī)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來選擇電機(jī)。加在電機(jī)軸上的有兩種負(fù)載，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。選用電機(jī)時(shí)，必須先正確地計(jì)算負(fù)載，即必須確認(rèn)電機(jī)能滿足下列條件： 1)當(dāng)機(jī)床是在無切削操作時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電流連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)。 2)最大切削轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)設(shè)定(工作載荷和過載時(shí)間)應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。 3)應(yīng)使加速度與希望的時(shí)間常數(shù)一致。加減速過程中的全部轉(zhuǎn)矩應(yīng)在加減速區(qū)域內(nèi)。一般說來，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩是起減速作用，如果可能的話，加減速選取相同的時(shí)間常數(shù)。 值得提出的是負(fù)載慣量值對電機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響。對于大的負(fù)載慣量，當(dāng)指令速度變化時(shí)，電機(jī)達(dá)到指令速度的時(shí)間需要長些

12、。如果負(fù)載慣量達(dá)到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，靈敏度要受到影響。當(dāng)負(fù)載慣量比轉(zhuǎn)子慣量大三倍，響應(yīng)時(shí)間降低很多。而當(dāng)慣量大大超過時(shí)，伺服放大器不能在正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣量。 (三)步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變?yōu)橄鄳?yīng)的直線位移或角位移的數(shù)字模擬變換器。一般電機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電機(jī)則每當(dāng)電機(jī)繞組接收一個(gè)脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度(稱為步距)。低頻運(yùn)行時(shí)，明顯可見電機(jī)轉(zhuǎn)軸是一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此稱為步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比。在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 步進(jìn)電機(jī)大致

13、分為三類。如圖所示。第一種類型為可變磁組式(VR)步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子無繞組，步進(jìn)運(yùn)行是由定子繞組通電勵(lì)磁產(chǎn)生的反應(yīng)力矩作用來實(shí)現(xiàn)的。因而也稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。這類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運(yùn)行頻率高，步距角小(0.75。9。)。目前有些數(shù)控機(jī)床及工業(yè)機(jī)器人的控制采用這類電機(jī)。1-轉(zhuǎn)子 2-勵(lì)磁線圈 3-定子 第二種為永磁型(PM)步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用永磁鐵，在圓周上進(jìn)行多極磁化，它的轉(zhuǎn)動(dòng)靠與定子繞組所產(chǎn)生的電磁力相互吸引或相斥來實(shí)現(xiàn)，這類電機(jī)控制功率小，效率高，造價(jià)低。轉(zhuǎn)子為永磁鐵，因而無勵(lì)磁時(shí)也具有保持力，但由于轉(zhuǎn)子極對數(shù)受磁鋼加工限制，因而步距角較大(7.5。18。)，電機(jī)頻率響應(yīng)較低，常使用在記錄

14、儀、空調(diào)機(jī)等速度低的場合。1-轉(zhuǎn)子 2-勵(lì)磁線圈 3-定子 第三種為混合型(HB)步進(jìn)電機(jī)，也稱永磁反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子與VR型類似，磁極上有控制繞組，極靴表面上有小齒，轉(zhuǎn)子由永磁鐵和鐵芯構(gòu)成，同樣切有小齒。由于是永磁鐵，轉(zhuǎn)子齒帶有固定極性。這類電機(jī)既具有VR型步距角小、工作頻率高的特點(diǎn)，又有PM型控制功率小、無勵(lì)磁時(shí)具有轉(zhuǎn)矩定位的優(yōu)點(diǎn)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對也高。1-轉(zhuǎn)子 2-勵(lì)磁線圈 3-定子1步進(jìn)電機(jī)的主要特性 主要性能指標(biāo)： (1)步距角 每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用表示PZK360 式中 P步進(jìn)電機(jī)相數(shù)； Z步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的步數(shù)； K通電方式，等于導(dǎo)電拍數(shù)m和

15、相數(shù)P的比值，即PmK 例如三相三拍導(dǎo)電方式時(shí)，K=1，三相六拍導(dǎo)電方式時(shí)，K=2。 (2)步距角精度厶。 指理論步距角和實(shí)際步距角之差，以(，)表示。隨電機(jī)制造精度而異，一般為10,左右。但由于步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)又恢復(fù)原來位置，故誤差不會(huì)累積。 (3)最高起動(dòng)頻率fq 即步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)不丟步地突然起動(dòng)的最高頻率，反映了電機(jī)跟蹤的快速性。它與負(fù)載慣量有關(guān)，隨負(fù)載慣量的增長而下降。 (4)最高連續(xù)工作頻率fmax 即步進(jìn)電機(jī)在額定狀態(tài)下逐漸升速，所能達(dá)到的不丟步的最高連續(xù)工作頻率。fmax遠(yuǎn)大于fq，通常為fq的十幾倍。 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的狀態(tài)稱為靜態(tài)。空載時(shí)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)某相始終導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)

16、子的齒與該相定子對齊。這時(shí)轉(zhuǎn)子上沒有力矩輸出，如果此時(shí)轉(zhuǎn)子承受一定負(fù)載，定子和轉(zhuǎn)子之間有一角位移角，稱為失調(diào)角。電機(jī)即產(chǎn)生一抗衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩的電磁轉(zhuǎn)矩Mi以保持平衡。 Mi、的關(guān)系曲線稱為矩角特性，如圖，在某一通電方式下各相矩角總和稱為矩角特性族。通常，矩角特性族的每一曲線依次錯(cuò)開電角度為s，矩角特性ms2 式中 m 一次供電順序內(nèi)的拍數(shù)。 例如，單三相通電時(shí)：s=23；三相六拍通電時(shí)：=3。 2.步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)使用范圍相當(dāng)廣泛，很難建立統(tǒng)一的選擇程序。設(shè)計(jì)人員通常根據(jù)實(shí)際的要求，用類比法或憑自己的經(jīng)驗(yàn)用逐次逼近法來選擇電動(dòng)機(jī)型式、尺寸及齒輪傳動(dòng)裝置。如果在選擇之前就能按照所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特

17、點(diǎn)，建立相應(yīng)的選擇程序可以提高設(shè)計(jì)效率。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)大致可分為三種主要類型： 第1類是作為位置伺服系統(tǒng)，如開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床伺服元件，在這類系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)要能應(yīng)答偶發(fā)指令，并具有一定的運(yùn)行精度和定位精度。切削負(fù)載特點(diǎn)是：低速時(shí)，進(jìn)行切削進(jìn)給需要較大的輸出轉(zhuǎn)矩；高速時(shí)，一般只移動(dòng)力架或工作臺(tái)而不進(jìn)行切削，較小的輸出轉(zhuǎn)矩就夠了(如圖66虛線所示)。因而，步進(jìn)電機(jī)很適合這類伺服機(jī)構(gòu)大轉(zhuǎn)矩(低速)、高速度(空行程)和高精度的要求。 圖66 第I類負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖第類是作為各種材料的固定尺寸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。如沖壓床的自動(dòng)送料；鋼材、紙張、塑料薄膜的固定尺寸傳送控制等。它要求電動(dòng)機(jī)按照一定的節(jié)拍將負(fù)載傳送

18、一定距離，如圖67。為了提高生產(chǎn)率，必須高速度，如何選擇開環(huán)控制脈沖頻串分布圖(即速度圖)是一關(guān)鍵問題。 圖67 第類負(fù)載速度圖 第類用于少數(shù)步增量運(yùn)動(dòng)中作驅(qū)動(dòng)元件，在這類應(yīng)用中，重要的特性是起始加速度和穩(wěn)定時(shí)間。要求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)快，停穩(wěn)時(shí)間短。 下面對第一類負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)選擇作一分析說明，其它二類負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)的選擇可參考有關(guān)資料。 (1)第1類負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)選擇步驟 下面以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)為例，介紹選擇步進(jìn)電機(jī)的步驟。 1)根據(jù)加工精度要求確定脈沖當(dāng)量選擇步距角。 脈沖當(dāng)量直接影響加工零件的精度、表面粗糙度及進(jìn)給速度。一般對精度要求較高數(shù)控機(jī)床如線切割機(jī)床、坐標(biāo)鏜床，脈沖當(dāng)量可取0.00

19、1-0.0025mmHz，以保證0.01-0.005mm的加工精度。加工精度在0.010.02mm范圍的數(shù)控銑床、鉆床、車床的脈沖當(dāng)量可取0.0050.01mmHz。對于那些簡易數(shù)控沖床等不太精密的機(jī)床或設(shè)備，脈沖當(dāng)量可取0.1-0.15mmHz。對于同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量還可選擇更大些。 脈沖當(dāng)量確定以后，步距角可以按照式Pi。360算出: 式中-步距角(.)； P-絲桿螺距(m)； i-傳動(dòng)比； -脈沖當(dāng)量(mHz)。 2)根據(jù)快速進(jìn)給速度，確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率。 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率有著嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，機(jī)床的極限進(jìn)給速度，v(m/min)受電動(dòng)機(jī)最高運(yùn)行頻率約束。10006

20、0maxmaxfv 式中，vmax機(jī)床運(yùn)行最高速度； fmax步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率(Hz)； 脈沖當(dāng)量(mm/Hz)。步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率fmax與電機(jī)結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)電源種類及控制方式有關(guān)。樣本雖已給出fmax，但驅(qū)動(dòng)電源和控制方式改變，fmax也改變。有些廠家為適應(yīng)用戶需要，同一規(guī)格步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品往往有高速和低速之分，兩者外型尺寸完全相同，僅繞組電感不同。所以應(yīng)根據(jù)機(jī)床要求的極限速度確定電機(jī)型式和最高運(yùn)行頻率。 3)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩或阻力，選擇步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 若進(jìn)給速度要求的頻率大于起動(dòng)頻率，電動(dòng)機(jī)包含加速運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)除了必須克服數(shù)控機(jī)床施加給它的負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要提供由于速度變化引起的慣性加速轉(zhuǎn)矩

21、。可分為兩種不同情況： 快速進(jìn)退刀時(shí)所需轉(zhuǎn)矩。 Tel=Ta1+T12 式中 Te1-快速退刀時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩； Ta1-慣性加速轉(zhuǎn)矩； T12-移動(dòng)刀架或工作臺(tái)的摩擦轉(zhuǎn)矩。 切削進(jìn)給所需轉(zhuǎn)矩。 Te2=Ta2+T12 式中 Te2切削加工時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩； Ta2切削加工時(shí)加速轉(zhuǎn)矩； Te 克服切削抗力所需的轉(zhuǎn)矩； T12移動(dòng)刀架或工作臺(tái)的摩擦轉(zhuǎn)矩。 上述兩種運(yùn)行狀態(tài)，對于數(shù)控機(jī)床來講始終是交替出現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)應(yīng)同時(shí)滿足上述兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩要求，因此需要分別計(jì)算各種轉(zhuǎn)矩，取二者中較大者作為選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。 產(chǎn)生加速度a所需慣性轉(zhuǎn)矩Ta(Nm)可按下式計(jì)算)(3 .570tffJTna式中 f

22、0、fn加速開始及終止時(shí)的脈沖頻率(Hz)； t 加速過程時(shí)間(，)； J - 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載慣量(kgm2)。 克服切削抗力，加到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Te(Nm)按下式計(jì)算210236SeFT式中 Fs在運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生的走刀抗力(N)； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率。與軸承、齒輪絲杠螺母等傳動(dòng)副的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān)，按機(jī)床設(shè)計(jì)有關(guān)資料選??； 及脈沖當(dāng)量(mm/Hz)及步距角(。)。 移動(dòng)工作臺(tái)加到步進(jìn)電機(jī)軸上的摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl2(Nm)按下式計(jì)算，2210236）（SlFmT式中 m-工作臺(tái)質(zhì)量(包括工件、夾具質(zhì)量在內(nèi))(kg)； 摩擦系數(shù)，按機(jī)床設(shè)計(jì)手冊選取，如滑動(dòng)導(dǎo)軌=O.05-0.16，滾動(dòng)導(dǎo)軌= 0

23、.0050.03，靜壓導(dǎo)軌=O.0005； Fs垂直方向的切削分力(空行程時(shí)Fz=0)(N)； -驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率 4)根據(jù)選定電動(dòng)機(jī)慣頻特性校核系統(tǒng)的起動(dòng)性能 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直接影響電動(dòng)機(jī)的快速性，要求折合到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量和電動(dòng)機(jī)本身的慣量相匹配。根據(jù)慣頻特性查出電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載慣量后的起動(dòng)頻率應(yīng)滿足系統(tǒng)要求。對于速度較低沒有升降頻線路的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，起動(dòng)頻率低于系統(tǒng)要求的頻率則無法工作，應(yīng)另選電動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)比。對于有加減速電路的系統(tǒng)，帶負(fù)載后起動(dòng)頻率也不應(yīng)過低，如果沒有慣頻特性資料，可按下式計(jì)算步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載后的起動(dòng)頻率。rlelsslJJTTff11 式中fsl、fs步進(jìn)電機(jī)負(fù)載及空載時(shí)的

24、起動(dòng)頻率(Hz)； Jr、Jl步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm2） Ti負(fù)載摩擦轉(zhuǎn)矩(Nm)； Te電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，可根據(jù)空載起動(dòng)頻率在運(yùn)行矩頻特性中查出(Nm)。 5)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性計(jì)算加減速時(shí)間校核系統(tǒng)的快速性 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)摩擦及慣性負(fù)載后的起動(dòng)頻率較低。例如一般功率步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)步矩角為1.5。時(shí)，起動(dòng)頻率不超過1000Hz，這樣低的頻率無疑滿足不了伺服系統(tǒng)快速性的要求，需要采用加、減電路，加、減速時(shí)間對系統(tǒng)快速性影響極大。一般在選擇步進(jìn)電機(jī)階段，根據(jù)矩頻特性分段線性化按下式粗略計(jì)算加、減速時(shí)間就夠了。)()(3 .57)(0ffTTJJtnlcplr 如果算出的時(shí)間大于系統(tǒng)允

25、許的加、減速時(shí)間或整個(gè)行程的平均速度低于系統(tǒng)的要求，則應(yīng)重新選擇電機(jī)或傳動(dòng)比。 6)根據(jù)選定步進(jìn)電機(jī)精度和矩角特性校核系統(tǒng)的靜態(tài)定位誤差。 對于上述已初步選定的步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，按下式可以算出系統(tǒng)的靜態(tài)定位誤差t。 7）溫度校核。 第三節(jié) 控制方式的選擇 機(jī)電一體化系統(tǒng)的定位精度與控制方式有關(guān)。開環(huán)控制伺服系統(tǒng)沒有位置檢測裝置，控制系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)給脈沖，通過伺服系統(tǒng)控制部件的移動(dòng)，對移動(dòng)部件的實(shí)際移動(dòng)量不進(jìn)行檢測。圖611a是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和絲杠來帶動(dòng)工作臺(tái)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接受從控制系統(tǒng)發(fā)來的脈沖指令，進(jìn)行功率放大，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速大小。每輸入一個(gè)脈沖指令

26、，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度(步距角)，相應(yīng)地工作臺(tái)就移動(dòng)一個(gè)距離。所以控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)目決定了工作臺(tái)移動(dòng)的距離，脈沖頻率決定了工作臺(tái)移動(dòng)的速度。 由于沒有檢測反饋，其位移精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)元件的累積誤差。有誤差，也不能自動(dòng)糾正。因此，開環(huán)系統(tǒng)的定位精度較低，一般可達(dá)0.010.03mm，且速度也有一定的限制(取決于步進(jìn)電機(jī)的性能)。開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低，調(diào)整和維修比較方便，工作可靠，主要用于精度、速度要求不高的場合。如簡易數(shù)控機(jī)械、小型工作臺(tái)、線切割機(jī)和繪圖儀等。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理如圖611c所示。安裝在工作臺(tái)上的位置檢測器(如直線感應(yīng)同步器，長光柵或磁柵)，可將直線

27、位移量變換成反饋電信號(hào)，并與位置控制器中的參考值比較，所得到的偏差值經(jīng)過放大，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向減小誤差方向移動(dòng)。若數(shù)控裝置中的脈沖指令不斷地產(chǎn)生，工作臺(tái)就隨之移動(dòng)，直到偏差值等于零為止。 閉環(huán)系統(tǒng)的定位精度主要取決于檢測反饋部件的誤差，而與放大器、傳動(dòng)裝置沒有直接的聯(lián)系。所以，全閉環(huán)系統(tǒng)可以得到很高的精度和速度。為了增加系統(tǒng)的阻尼，其內(nèi)部還有速度反饋?zhàn)踊芈?。全閉環(huán)系統(tǒng)的定位精度可達(dá)0.001-0.003mm。 圖611 伺服電機(jī)控制方式的基本形式 a)開環(huán)方式 b)半閉環(huán)方式 c)全閉環(huán)方式 在全閉環(huán)系統(tǒng)中，機(jī)械系統(tǒng)也包括在位置反饋回路之內(nèi)。因此，系統(tǒng)受機(jī)械固有頻率、阻尼比和間隙等因素的

28、影響，時(shí)常成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素，從而增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度全閉環(huán)系統(tǒng)主要用于精度和速度較高和大型的機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備。 由于測量角位移比測量線位移容易，并可在傳動(dòng)鏈的任何轉(zhuǎn)動(dòng)部位進(jìn)行角位移的測量和反饋，這種從傳動(dòng)鏈中間部位取出反饋信號(hào)的系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)(如圖611b所示)在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，只能補(bǔ)償回路內(nèi)部傳動(dòng)鏈誤差，其定位精度比全閉環(huán)的稍差，一般可達(dá)0.005-0.01mm。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性比閉環(huán)系統(tǒng)好，且結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整和維護(hù)也比較簡單，廣泛用于各種機(jī)電一體化設(shè)備。 第四節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)方案的選擇 一、控制系統(tǒng)中的機(jī)械環(huán)節(jié) 機(jī)械控制系統(tǒng)按照被控量有無檢測反饋基本上也可分為開環(huán)

29、和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類。下以閉環(huán)控制系統(tǒng)來分析機(jī)械控制系統(tǒng)的組成。見圖612。 控制裝置發(fā)出指令信號(hào)Xi，通過各環(huán)節(jié)使工作臺(tái)移動(dòng)，檢測裝置測出工作臺(tái)的實(shí)際位移，并發(fā)出反饋信號(hào)H，指令信號(hào)與反饋信號(hào)輸入比較器進(jìn)行比較,用Xi與H的差值進(jìn)行控制，直至差值為零。 大多數(shù)伺服系統(tǒng)即包括機(jī)械元件又包括電氣元件。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，電氣元件的數(shù)學(xué)描述與機(jī)械部件相似。一定的電氣裝置，總是有相類似的機(jī)械裝置與之對應(yīng)，反之亦然。所謂相似是指兩個(gè)系統(tǒng)或元件都可以用相同的數(shù)學(xué)方程來描述。 (一)機(jī)械比較器 1傘齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu) 見圖。圖612 閉環(huán)機(jī)械控制系統(tǒng)如果 ，則 321zzz1322nnn傘齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)2差動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)

30、 見圖 式中 s齒輪螺母軸向位移； nl絲杠轉(zhuǎn)速； n2齒輪螺母轉(zhuǎn)速； P絲杠螺距。Pnns)(21差動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)(二) 機(jī)械放大器 齒輪齒條、絲杠螺母副、絲杠等都可構(gòu)成放大環(huán)節(jié)。 例題 絲杠螺母放大環(huán)節(jié)傳動(dòng)，見圖 建立工作臺(tái)進(jìn)給速度v與絲杠轉(zhuǎn)速n的傳遞關(guān)系。絲杠螺母放大環(huán)節(jié) 二、直流伺服電機(jī)總傳動(dòng)比的選擇 用于伺服系統(tǒng)的齒輪系是一種力矩變換器，其輸入是電機(jī)的高速低扭矩，輸出為低速高扭矩，并借此加速負(fù)載。因此，不但要求齒輪系在傳遞扭矩時(shí)有足夠的強(qiáng)度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能小，以便在獲得同一加速度時(shí)扭矩要小。由于負(fù)載特性和工作條件不同，可有不同的最佳傳動(dòng)比的選擇方法。在伺服系統(tǒng)中，常用按電動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載加速度最大的傳動(dòng)比選擇方法。 圖618表示慣量Jm的直流伺服電機(jī)通過一個(gè)齒輪系帶動(dòng)負(fù)載L，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JL、摩擦轉(zhuǎn)矩為TLF，最佳傳動(dòng)比 i= 。的計(jì)算模型。./mL電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪系和負(fù)載的集總慣量摸型已知：傳動(dòng)比；TLF換算到電機(jī)軸上的阻抗力矩為TLF / i；JL換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JLi2，所以，在電機(jī)軸上的加速度轉(zhuǎn)矩為(假定齒輪系傳動(dòng)效率為100%)?；?令時(shí)，求得負(fù)載加速度為最大的i 值，即若TLF=0，則或 上式表明，齒輪系傳動(dòng)比的最佳值就是JL換算到電機(jī)軸上