機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章課件

1、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章課件機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章課件二、伺服系統(tǒng)基本類(lèi)型 2采用不同的分類(lèi)方法，可以得到不同類(lèi)型的伺服系統(tǒng) 按控制原理（或方式）不同表示的方式有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式 按被控制量性質(zhì)不同有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式 按驅(qū)動(dòng)方式不同有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動(dòng)形式 按執(zhí)行元件不同分為步進(jìn)電機(jī)伺服、直流電機(jī)伺服和交流電機(jī)伺服形式0.1110100P(kW)f (Hz)101001000圖5.2 伺服系統(tǒng)適用范圍二、伺服系統(tǒng)基本類(lèi)型 2采用不同的分類(lèi)方法，可以得到不同類(lèi)型3三、伺服系統(tǒng)基本要求 精度 響應(yīng)速度 調(diào)速范圍指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示影響伺服

2、系統(tǒng)精度的因素：1、組成元件本身誤差傳感器的靈敏度和精度伺服放大器的零點(diǎn)漂移和死區(qū)誤差機(jī)械裝置反向間隙和傳動(dòng)誤差各元器件的非線性因素等2、系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)形式輸入指令信號(hào)的形式是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)是伺服系統(tǒng)提供的最高速與最低速之比，即：3三、伺服系統(tǒng)基本要求 精度 響應(yīng)速度 調(diào)速范圍指輸出量復(fù)應(yīng)變能力指能承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速的沖擊； Rn要大，并且在該范圍內(nèi)，速度穩(wěn)定； 無(wú)論高速低速下，輸出力或力矩穩(wěn)定，低速驅(qū)動(dòng)時(shí)，能輸出額定的力 或力矩； 在零速時(shí)，伺服系統(tǒng)處于 “鎖定” 狀態(tài)，即慣性小。4 應(yīng)變能力和過(guò)載能力要求：過(guò)載能力指在低速大轉(zhuǎn)矩時(shí)，能承受較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載而不致?lián)p壞

3、四、電氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置 機(jī)電一體化系統(tǒng)中較多的采用電氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置，即伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是指：步進(jìn)電機(jī)（Stepping Motor）直流伺服電機(jī)(DC Servo Motor)交流伺服電機(jī)(AC Servo Motor)應(yīng)變能力指能承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速的沖擊； Rn要5三種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：1、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制構(gòu)成廉價(jià)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡(jiǎn)單2、DC伺服電機(jī)高響應(yīng)、高功率密度可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字控制換向器件需維護(hù)3、AC伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)需要磁極位置檢測(cè)器無(wú)接觸換向器件，維護(hù)方便機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求：1、

4、性能密度大5三種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：1、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例，可構(gòu)6兩方面含義功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）功率密度指單位重量的輸出功率：比功率指功率對(duì)時(shí)間微分：因?yàn)?，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為：因此，比功率為：2、快速性好；調(diào)速范圍寬（1：1000以上）；適應(yīng)啟停頻繁的工作要求等。6兩方面含義功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）功率密度1 5.2 步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)一、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频碾姎鈭?zhí)行元件，電機(jī)繞組每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度（即步距角），低頻率運(yùn)行時(shí)，明顯可見(jiàn)電機(jī)軸是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明工

5、作原理：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用定子繞組通電勵(lì)磁，產(chǎn)生反應(yīng)磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖示，定子有三對(duì)磁極 A-A，B-B，C-C，若轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為：定子每相磁極有5個(gè)齒，其齒距寬度與轉(zhuǎn)子一樣，則相鄰兩個(gè)齒的夾角必定是9。1 5.2 步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)一、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī) 當(dāng)A相磁極與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊時(shí)，即定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，磁導(dǎo)率最大，磁阻最小，就會(huì)產(chǎn)生右圖所示的B、C相磁極錯(cuò)齒情況：在B相磁極中心線上應(yīng)是m號(hào)齒：顯然，B相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第13個(gè)齒再過(guò)3的地方，即B相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差3 同理，C相磁極中心線上應(yīng)是n號(hào)齒：即C相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第26個(gè)齒再過(guò)6的地方，換而言之

6、，C相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差6依次按A-B-C-，A-B-C通電流，轉(zhuǎn)子就跟隨磁場(chǎng)一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)，若需反向轉(zhuǎn)動(dòng)，只需改變通電相序A-C-B，A-C-B。2 當(dāng)A相磁極與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊時(shí)，即定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，磁導(dǎo)率3三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式： 單三拍時(shí)： ABC,ABC3三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式： 單三拍時(shí)： A4 雙三拍時(shí)： 單雙拍（即六拍）時(shí)：ABBCCA,ABBCCAAABBBCCCA,-AABBBCCCA 4 雙三拍時(shí)： 單雙拍（即六拍）時(shí)：ABBCCA,AA機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章課件二、步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi) 按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為三種：反應(yīng)式(VR，Variable Reluctance）

7、永磁式(PM，Permanent Magnet)混合式(HB,Hybrid) 按勵(lì)磁相數(shù)分：有三相、四相、五相等步進(jìn)電機(jī) 按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分：有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用磁阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，步矩角小，性價(jià)比高， 應(yīng)用廣泛，但動(dòng)態(tài)性差 永磁式步進(jìn)電機(jī)用永久磁鋼作為電機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子，電磁阻尼大，步矩 角大，啟動(dòng)頻率低，功率小 混合式步進(jìn)電機(jī)在永磁和變磁阻原理共同作用下，輸出轉(zhuǎn)矩大，步矩角 小結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表示：二、步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi) 按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為三種：反應(yīng)式(VR，VarBF勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)反應(yīng)式(BY永磁式、BYG混合式)步進(jìn)電機(jī)電機(jī)外徑（mm)三、步進(jìn)電機(jī)的

8、性能參數(shù)1、齒距角z：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒的夾角2、步距角：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度3、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax：在規(guī)定的通電相數(shù)下，轉(zhuǎn)矩的最大值m：定子繞組相數(shù)Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)k：通電狀態(tài)系數(shù)K=1 單拍或雙拍K=2 單雙拍定子繞組每改變一次通電的方式，稱為“一拍”BF勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)反應(yīng)式(BY永磁式、BYG混合式)步進(jìn)四、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性1、距角特性：?jiǎn)蜗嗤ㄈ腩~定通電時(shí)，其靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系2、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：相鄰兩通電狀態(tài)時(shí)，矩角特性交點(diǎn)的靜轉(zhuǎn)矩，反映了電機(jī)的承載能力5、最高啟動(dòng)頻率fq max：步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)不失步達(dá)到穩(wěn)速所允許的最高輸入脈沖頻率（可以是空載下或有負(fù)載下）4

9、、最高運(yùn)行頻率fmax：步進(jìn)電機(jī)不失步運(yùn)行時(shí)，輸入脈沖的最高頻率繞組的電流越大，靜轉(zhuǎn)矩越大，一般取TL=（3050%）Tmax失步丟步：齒距數(shù)少于脈沖數(shù)越步：齒距數(shù)多于脈沖數(shù)6、失調(diào)角：?jiǎn)蜗喽ㄗ油姇r(shí)，該相定子齒與轉(zhuǎn)子齒的中心線不重合所夾角四、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性1、距角特性：?jiǎn)蜗嗤ㄈ腩~定通電時(shí)，其靜3、矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系 高速時(shí)，負(fù)載能力變差，這是其應(yīng)用受到限制的原因之一由圖看出：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的升高而降低原因：定子控制繞組有一定的電感量，回路有電氣時(shí)間常數(shù)，電感電流變化有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，達(dá)不到電流穩(wěn)態(tài)值。3、矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻

10、率的關(guān)系 五、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)1、脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖時(shí)，工作臺(tái)走過(guò)的位移單位為 mm/pulse= 0.0010.0025 精密機(jī)床0.0050.01 數(shù)控機(jī)床 0.10.15 一般機(jī)床角脈沖當(dāng)量：就是步距角(/pulse)當(dāng)通過(guò)中間傳動(dòng)裝置時(shí)，角脈沖當(dāng)量為：M驅(qū)動(dòng)器指令脈沖如下圖，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其脈沖當(dāng)量為：Z1Z2五、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)1、脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，并選定絲杠的導(dǎo)程p,計(jì)算出傳動(dòng)比i后，最后設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪的各參數(shù)等。 2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax與相數(shù)、拍數(shù)一般根據(jù) TL（305

11、0%）Tmax選擇Tmax其中TL為把負(fù)載折合到步進(jìn)電機(jī)軸的負(fù)載力矩，若相數(shù)、拍數(shù)較多，可選0.5，否則選0.3，考慮控制回路的復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)程度，一般取相數(shù)較少的。3、最高運(yùn)行頻率與速度關(guān)系.根據(jù)工作臺(tái)的最高速度vmax選擇步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率fmax由得注意量綱：vmax (m/min) 設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與加減速性能步進(jìn)電機(jī)的加減速性能與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的慣性力矩有關(guān)慣性力矩：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度越大，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率越低，加減速性能越差，越容易失步。通過(guò)減小步距角和減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改善啟動(dòng)、加減速性能5、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算作用在步進(jìn)電機(jī)軸的總的負(fù)載

12、轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與加減速性能步進(jìn)電機(jī)的加減速性能與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生6、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算其中：Jm是電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）Jd是系統(tǒng)折算到電機(jī)軸的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）是電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的角加速度（rad/s2）F 作用在工作臺(tái)的摩擦力（N）FW作用在工作臺(tái)的外力（N）伺服系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的總效率（取0.70.85） 絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率（取0.9）F0絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的力（N） P是絲杠螺距（mm）i是總傳動(dòng)比 基本公式圓柱體其中：6、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算其中：Jm是電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg Jd的計(jì)算對(duì)上圖所示的的系統(tǒng)，折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd由幾部分組成： 電機(jī)軸

13、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm 齒輪Z1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1 齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ2和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 工作臺(tái)折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)于直線移動(dòng)的工作臺(tái)，折算到絲杠軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：絲杠軸折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：因此，折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd為： Jd的計(jì)算對(duì)上圖所示的的系統(tǒng)，折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd由對(duì)于齒輪齒條傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：對(duì)于帶傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：R為齒輪分度圓半徑為驅(qū)動(dòng)軸的角速度v為工作臺(tái)的速度六、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，其驅(qū)動(dòng)電路方式有多種： 單電壓驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)p55）對(duì)于齒輪齒條傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)

14、軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：對(duì)于帶傳 雙電壓驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)p56） 斬波恒流驅(qū)動(dòng)（電流驅(qū)動(dòng)） 雙電壓驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)p56） 斬波恒流驅(qū)動(dòng)（電流驅(qū)動(dòng)） 細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)控制繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，把步距角細(xì)分成若干步完成CLK 細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)控制繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，把步距角細(xì)分成若干步完六、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)（或計(jì)算機(jī)）產(chǎn)生，其基本控制作用如下： 控制換相順序（也稱脈沖分配） 控制轉(zhuǎn)向（正反序通電） 控制速度（由單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率的大小決定）六、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作， 5. 3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服電機(jī)類(lèi)型電

15、勵(lì)磁：勵(lì)磁量容易調(diào)整，成本低，效率低永久磁鐵：不需勵(lì)磁功率，效率高，性能好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成： 直流伺服電機(jī) 轉(zhuǎn)速或位置反饋裝置 直流電源及驅(qū)動(dòng)電路 接口電路電樞控制原理：控制電樞繞組中的電流大小和方向，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的大小通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測(cè)并反饋。圖1 電樞控制原理 5. 3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二、直流伺服電機(jī)的特性 機(jī)械特性 調(diào)節(jié)特性當(dāng)控制電壓恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制電壓變化的關(guān)系圖2 直流電機(jī)的靜態(tài)特性二、直流伺服電機(jī)的特性 機(jī)械特性 調(diào)節(jié)特性當(dāng)控制電壓恒定時(shí)，三、直

16、流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)在電樞上外加階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過(guò)程，即：n=f(t)或 =f(t)1、直流電機(jī)的選擇2、設(shè)計(jì)的要求 根據(jù)負(fù)載的大小，選擇小慣量電機(jī)或大慣量電機(jī)（也稱力矩電機(jī)） 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩滿足要求 折算到電機(jī)軸的負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于或等于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速穩(wěn)定運(yùn)行，低速或重載 滿足穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求1、2、 滿足動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)在電樞上外加階躍電壓四、直流伺服電機(jī)的調(diào)速其中：Tq為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩加速過(guò)程近似線性過(guò)程，則加速轉(zhuǎn)矩為：其中：nm為最高轉(zhuǎn)速為最高角速度 頻繁啟制動(dòng)或負(fù)載經(jīng)常

17、變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩均方根值小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)等效發(fā)熱準(zhǔn)則，有：其中：Tn為額定轉(zhuǎn)速t為整個(gè)工作時(shí)間（或周期）Tt為瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩四、直流伺服電機(jī)的調(diào)速其中：Tq為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為加有三種調(diào)速方法： 電樞控制調(diào)速（即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)， 磁場(chǎng)控制調(diào)速（即恒功率調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)， 混合調(diào)速（即恒功率調(diào)速），如主軸伺服驅(qū)動(dòng)，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒 轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率調(diào)速.如進(jìn)給伺服系統(tǒng)如小慣量高速伺服系統(tǒng)有三種調(diào)速方法： 電樞控制調(diào)速（即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí) 5. 4 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成 伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、鼠籠式異步電

18、機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī) 伺服驅(qū)動(dòng)器采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）三相逆變器、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)按照伺服電機(jī)類(lèi)型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：異步型交流伺服系統(tǒng)（IM）同步型交流伺服系統(tǒng)（SM）正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)二、異步交流伺服電機(jī) 5. 4 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成由伺服轉(zhuǎn)速公式：其中：f為電源頻率s為轉(zhuǎn)差率p為極對(duì)數(shù)n0為同步轉(zhuǎn)速：通常采取恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：即在調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩維持在Tmax,氣隙磁通也在f為加在定子繞組的電源頻率E為定子繞組的電勢(shì)C為常數(shù)其中：U為電機(jī)的外加電壓 控制方式當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的大

19、小或相位達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，有三種方式：轉(zhuǎn)速公式：其中：f為電源頻率s為轉(zhuǎn)差率p為極對(duì)數(shù)n0為同步轉(zhuǎn) 幅值控制：調(diào)節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉(zhuǎn)速 相位控制：調(diào)節(jié)控制電壓的相位角，改變轉(zhuǎn)速 幅值相位控制（電容控制）：調(diào)節(jié)控制電壓時(shí)，相位角隨之改變，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速目的 工作特性1、 機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線 2、調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)系曲線圖3 交流電機(jī)的靜態(tài)特性控制繞組勵(lì)磁繞組 幅值控制：調(diào)節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉(zhuǎn)速 相位控制：調(diào)節(jié)控3、 輸出特性 P=f(n)：控制電壓不變時(shí)，輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，是有最大值的拋物線，當(dāng)堵轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)時(shí)，輸出功率為零，輸出功率的最大值在n=5

20、5%n空轉(zhuǎn)。 4、動(dòng)態(tài)特性 n=f(t)外加階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過(guò)程，理論分析知，交流和直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)類(lèi)似，因此，理想時(shí)，二者的動(dòng)態(tài)性相似三、同步交流伺服電機(jī)包括永磁同步交流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)1、永磁同步交流電機(jī)PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）：2、無(wú)刷直流電機(jī)BDCM（Brushless DC Motor）：用永磁體轉(zhuǎn)子代替繞線式轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組，省卻了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)、電刷等。將直流同步電機(jī)的定子永磁勵(lì)磁改為永磁體轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，直流電機(jī)的電樞電流改為定子三相繞組正、負(fù)方波電流，帶有電子換相器，其控制方式與交流伺服類(lèi)似。3、 輸出特性

21、P=f(n)：控制電壓不變時(shí)，輸出功率和轉(zhuǎn)速四、交流伺服電機(jī)的矢量控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩的控制容易，動(dòng)態(tài)性好，而交流電機(jī)的電樞電流不容易得到，轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制較困難，進(jìn)行矢量控制的目的就是模擬直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律三相交流量?jī)上嘟涣髁拷涣?直流變換逆變換等效直流量還原三相交流量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制五、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 電機(jī)選擇 成本 轉(zhuǎn)矩慣量比 功率密度 調(diào)速范圍四、交流伺服電機(jī)的矢量控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩 對(duì)傳感器要求 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性 轉(zhuǎn)矩速度曲線 對(duì)傳感器要求 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性 轉(zhuǎn)矩速度曲線 5. 3 伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)方案確定典型的開(kāi)環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是

22、數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控x、y工作臺(tái)、機(jī)器人的關(guān)節(jié)移動(dòng)等。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示：包括開(kāi)環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和閉環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹前者PC機(jī)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行元件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案確定實(shí)質(zhì)是對(duì)上述各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇設(shè)計(jì) 執(zhí)行元件的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中可以采用步進(jìn)電機(jī)、液壓伺服閥控制的液壓馬達(dá)和液壓缸、氣壓伺服閥控制的氣壓馬達(dá)和氣壓缸等作為執(zhí)行元件，其中步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最廣泛，當(dāng)負(fù)載能力不夠時(shí)，考慮后者。 總之，要考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、體積、成本等因素。 5. 3 伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)方案確定典型的開(kāi) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)機(jī)械

23、接口，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行變換和傳遞，伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件以輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有： 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)同步齒型帶傳動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)直線電機(jī)傳動(dòng)最常用步進(jìn)電機(jī)與絲杠螺母間的運(yùn)動(dòng)傳遞可能有多種形式：采用同步齒型帶傳動(dòng)絲杠：中心距較大通過(guò)減速器傳動(dòng)絲杠：減速器作用是配湊脈沖當(dāng)量、轉(zhuǎn)矩放大、 慣量匹配等通過(guò)聯(lián)軸器直接相連：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可獲得高速，對(duì)電機(jī)負(fù)載能 力要求較高 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對(duì)象，是進(jìn)行實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中一般含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要是指導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇，即 執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行

24、機(jī)構(gòu)二、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 確定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)方案的選擇導(dǎo)軌的選擇：滾動(dòng)導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌、液體導(dǎo)軌塑料貼面滑動(dòng)導(dǎo)軌包括微機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路、接口電路等的選擇和設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定，對(duì)于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取 =0.005-0.01mm/pulse 初選步進(jìn)電機(jī)指：選擇步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型和步矩角混合式：兼以上二者優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高反應(yīng)式： 小、f 高、價(jià)格低，功耗大永磁式： 大、f 低，功耗小，斷電后仍有制動(dòng)力矩二、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 確定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī) 控 計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 確定減速傳動(dòng)比按產(chǎn)品樣本中給出的主要技術(shù)參數(shù)選用傳動(dòng)比公式：計(jì)算出的傳動(dòng)比較小時(shí)

25、，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng)傳動(dòng)比較大時(shí)，采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)增加時(shí)，使齒隙和靜摩擦增加，傳動(dòng)效率降低，故傳動(dòng)級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3級(jí)。 傳動(dòng)級(jí)數(shù)的分配原則：傳動(dòng)比逐級(jí)增加（或前小后大原則），使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。計(jì)算時(shí)，按P104，級(jí)數(shù)選擇曲線和傳動(dòng)比分配曲線目的：為選擇步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)及進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析做基礎(chǔ)圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式： 計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 確定減速傳動(dòng)比按產(chǎn)品樣本中給出的主要技術(shù) 確定步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd計(jì)算公式為：步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算：步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定： 確定步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd計(jì)算公式 驗(yàn)算慣量匹配步進(jìn)電機(jī)最大啟

26、動(dòng)頻率確定：步進(jìn)電機(jī)最大運(yùn)行頻率確定：根據(jù)啟動(dòng)頻率特性曲線：Tq 對(duì)應(yīng)的 fqmax ，實(shí)際運(yùn)行的fq fqmax根據(jù)運(yùn)行頻率特性曲線：TL 對(duì)應(yīng)的 fmax ，實(shí)際運(yùn)行的f fmax電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)控制在：小慣量電機(jī)（Jm=0.00005kgm2）大慣量電機(jī)（Jm=0.1-0.6kgm2） 比值太大，系統(tǒng)動(dòng)特性受負(fù)載變化干擾；比值太小，不經(jīng)濟(jì)，大馬拉小車(chē)。 驗(yàn)算慣量匹配步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)頻率確定：步進(jìn)電機(jī)最大運(yùn)行頻率 計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度通過(guò)減速傳動(dòng)比i和絲杠導(dǎo)程p的合理搭配，使慣量匹配趨于合理。傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示 絲杠副傳動(dòng)系

27、統(tǒng)的力學(xué)模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度為：此公式計(jì)算的主要是拉壓剛度，而絲杠本身的扭轉(zhuǎn)剛度比拉壓剛度大的多，一般不予考慮扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為：G為切變摸量 計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度通過(guò)減速傳動(dòng)比i和絲杠導(dǎo)程p的合理搭配，使 計(jì)算死區(qū)誤差 計(jì)算定位誤差死區(qū)誤差又稱之為失動(dòng)量，指啟動(dòng)或反向時(shí)，系統(tǒng)的輸入與輸出運(yùn)動(dòng)間的差值產(chǎn)生死區(qū)誤差的原因電氣系統(tǒng)和執(zhí)行元件的啟動(dòng)死區(qū)（不靈敏區(qū)）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的間隙導(dǎo)軌副間的摩擦力由綜合拉壓剛度而產(chǎn)生的死區(qū)誤差：F為軸向負(fù)載力由于傳動(dòng)剛度變化引起定位誤差為：對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為系統(tǒng)允許的定位精度 計(jì)算死區(qū)誤差 計(jì)算定位誤差死區(qū)誤差又稱之為失動(dòng)量，指啟動(dòng)或 驗(yàn)算

28、固有頻率固有頻率的計(jì)算公式為：m 是工作臺(tái)質(zhì)量或工作臺(tái)絲杠 驗(yàn)算固有頻率固有頻率的計(jì)算公式為：m 是工作臺(tái)質(zhì)量或工作臺(tái)三、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)誤差分析 誤差來(lái)源 誤差校正 步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)的步距誤差，一般在 左右，突然啟動(dòng)時(shí)有滯后， 停止時(shí)有超前，從整個(gè)系統(tǒng)的誤差看，這一誤差較小，通常忽略不計(jì)； 齒輪傳動(dòng)：齒輪副的傳動(dòng)誤差和間隙會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成誤差； 滾珠絲杠副傳動(dòng)：滾珠絲杠副的軸向間隙產(chǎn)生誤差，而且由于綜合拉壓 剛度不足，會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)誤差； 其它傳動(dòng)裝置：聯(lián)軸器、齒型帶傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成 傳動(dòng)誤差。1、機(jī)械校正：提高機(jī)械裝置自身的精度，減少誤差，如消隙、減少等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、提高傳動(dòng)剛度

29、、提高固有頻率等；2、電子校正：反向死區(qū)補(bǔ)償： 利用反向死區(qū)補(bǔ)償電路調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電路三、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)誤差分析 誤差來(lái)源 誤差校正 步進(jìn)電機(jī)：電路具有自動(dòng)判斷方向的改變，并在反向時(shí)發(fā)出補(bǔ)償命令的功能，補(bǔ)償脈沖可以達(dá)到幾百個(gè)。例: 測(cè)量得到的反向死區(qū)誤差為0.016mm，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm/pulse,試問(wèn)撥碼開(kāi)關(guān)應(yīng)預(yù)置到哪一檔才能實(shí)現(xiàn)死區(qū)的補(bǔ)償？數(shù)字仿真誤差校正： 預(yù)先將誤差的數(shù)學(xué)模型輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)一邊輸出工作指令，一方面計(jì)算誤差，輸出校正指令，形成附加運(yùn)動(dòng)，用以校正位移誤差。反饋補(bǔ)償誤差校正： 采用反饋補(bǔ)償型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)減小系統(tǒng)的誤差，提高精度。撥碼開(kāi)關(guān)應(yīng)預(yù)

30、置到3檔，消除誤差為 3*0.005=0.015mm反饋補(bǔ)償型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理如下：電路具有自動(dòng)判斷方向的改變，并在反向時(shí)發(fā)出補(bǔ)償命令的功能，補(bǔ)步進(jìn)電機(jī)M驅(qū)動(dòng)器指令脈沖混合器脈沖補(bǔ)償感應(yīng)同步器測(cè)試器e=s機(jī)-s電補(bǔ)償脈沖步進(jìn)M驅(qū)動(dòng)器指令脈沖脈沖感應(yīng)同步器測(cè)試器e=s機(jī)-s電補(bǔ)償脈四、閉環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算采用步進(jìn)細(xì)分電路校正誤差： 實(shí)質(zhì)上是減小了步進(jìn)電機(jī)的步距角即角脈沖當(dāng)量，使轉(zhuǎn)子達(dá)到新穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能減小，振動(dòng)減小，精度提高，特別是提高了低速時(shí)的平滑性。 選擇伺服電機(jī)類(lèi)型交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)各有其有特點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)要求確定，對(duì)于伺服進(jìn)給系統(tǒng)而言，要求伺服電機(jī)具有：調(diào)速范圍寬且穩(wěn)定，速比

31、大，低速（0.1r/min）時(shí),速度穩(wěn)定性仍好；負(fù)載特性硬（受負(fù)載沖擊，速度穩(wěn)定性好），過(guò)載能力強(qiáng)；響應(yīng)速度快，從零轉(zhuǎn)速到1500r/min，時(shí)間在0.2s內(nèi)，角加速度達(dá)400rad/s2能夠頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、加減速等。國(guó)外伺服電機(jī)品牌：德國(guó)：SIEMENS公司、INDRAMAL公司等 四、閉環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算采用步進(jìn)細(xì)分電路校正誤差： 實(shí)質(zhì)美國(guó)：AB公司、PARKER公司 法國(guó)：ALSTHOM公司 國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)生產(chǎn)廠家較多，集中在華東和華南地區(qū) 選擇導(dǎo)軌種類(lèi)，確定阻尼比由實(shí)驗(yàn)可得到各種導(dǎo)軌的等價(jià)阻尼比，同時(shí)考慮系統(tǒng)的速度、穩(wěn)定性、潤(rùn)滑、材料等。靜壓導(dǎo)軌：0.02滑動(dòng)導(dǎo)軌：0.02-0.3滾動(dòng)導(dǎo)軌：0.02-0.05 確定系統(tǒng)增益 k 和機(jī)械傳動(dòng)鏈的固有頻率根據(jù)控制精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，一般取 k= 815/s由系