第6章-伺服系統(tǒng)技術(shù)

一、伺服系統(tǒng)基本概念

§5.1概述伺服系統(tǒng)也稱之為隨動系統(tǒng)，是以位移、速度或力、力矩等作為被控量的自動控制系統(tǒng)。1第五章伺服系統(tǒng)技術(shù)電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分在控制信號傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口在反饋信號傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：圖5.1伺服系統(tǒng)組成二、伺服系統(tǒng)基本類型

2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(zhì)不同有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式按驅(qū)動方式不同有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動形式按執(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)輸入指令信號的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示影響伺服系統(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)形式輸入指令信號的形式是衡量伺服系統(tǒng)動態(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：應(yīng)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(qū)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。4應(yīng)變能力和過載能力要求：過載能力指在低速大轉(zhuǎn)矩時，能承受較長時間的過載而不致?lián)p壞四、電氣伺服驅(qū)動裝置

機(jī)電一體化系統(tǒng)中較多的采用電氣伺服驅(qū)動裝置，即伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動電機(jī)一般是指：步進(jìn)電機(jī)（SteppingMotor）直流伺服電機(jī)(DCServoMotor)交流伺服電機(jī)(ACServoMotor)5三種電機(jī)驅(qū)動的特點(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)成廉價的開環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡單2、DC伺服電機(jī)高響應(yīng)、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(hù)3、AC伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)需要磁極位置檢測器無接觸換向器件，維護(hù)方便機(jī)電一體化系統(tǒng)對伺服電機(jī)的基本要求：1、性能密度大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：比功率指功率對時間微分：因為，電機(jī)轉(zhuǎn)動時的動力學(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。伺服機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)－諧振頻率（1）諧振頻率

(2)剛度（3）質(zhì)量和慣量（4）磨擦（5）失動

（1）諧振頻率機(jī)械傳動部件一般都是多自由度系統(tǒng)，有一個最低的基本固有頻率和若干高階固有頻率，分別稱為第一揩振頻率ωomech1和n階諧振頻率ωomechn。當(dāng)外界激振頻率接近或等于系統(tǒng)固有頻率時，系統(tǒng)要發(fā)生諧振而無法工作，所以，系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)，不應(yīng)包含部件的固有頻率，以防產(chǎn)生諧振。各部件的固有頻率應(yīng)錯開一定距離，以免產(chǎn)生耦合。

式中，K為縱向剛度；Km為扭轉(zhuǎn)剛度；m為質(zhì)量；J為轉(zhuǎn)動慣量。

如不計機(jī)械傳動系統(tǒng)阻尼影響，則機(jī)械系統(tǒng)可看作質(zhì)量（或慣量）-彈簧系統(tǒng)，其固有頻率5.2伺服機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)伺服機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)－剛度(2)剛度伺服傳動系統(tǒng)剛度反映出系統(tǒng)抵抗變形的能力。剛度不足時，將造成位置誤差（失動）及系統(tǒng)動態(tài)性能變壞，即影響系統(tǒng)運(yùn)動的準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性；剛度過高，也將帶來轉(zhuǎn)動慣量增大，成本增加等不足伺服傳動系統(tǒng)剛度包括伺服剛度和傳動機(jī)械剛度兩部分。傳動機(jī)構(gòu)剛度又分成扭轉(zhuǎn)剛度和縱向剛度伺服剛度是指伺服電機(jī)輸出軸上施加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與其引起的輸出軸角位移之比，其表達(dá)式為（4-12）式中

MT——單位脈沖在伺服電機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩（N·cm/脈沖）；

θ——單位脈沖下伺服電機(jī)軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角（°）機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)剛度大小取決于各傳動件和結(jié)構(gòu)件的剛度及構(gòu)件聯(lián)接方式。以于各構(gòu)件串聯(lián)的彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)，其總剛度KΣ可用下式計算（4-13）式中，Ki為任一構(gòu)件的剛度。在進(jìn)行剛度計算時，需要將工作臺或任一傳動軸的剛度折算到某傳動軸上時，可以利用能量相等原則進(jìn)行計算。伺服機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)－質(zhì)量（慣量）和摩擦在不影響剛度條件下，應(yīng)盡量減小各構(gòu)件質(zhì)量和慣量，這樣既可降低制造成本，又可提高伺服性能。

（3）質(zhì)量和慣量

（4）摩擦

粘滯摩擦影響阻尼數(shù)值，對系統(tǒng)的振蕩有阻尼作用，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也使輸出響應(yīng)變慢，即影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

庫侖摩擦趨向于減小輸出位移的超調(diào)和振蕩。

靜摩擦是造成輸出響應(yīng)死區(qū)的根本原因，而且它的粘性磨擦一起交替作用，造成爬行現(xiàn)象。靜磨擦力客觀上助長了失動現(xiàn)象，這是因為靜磨擦力的存在，必然要增大驅(qū)動力，相應(yīng)增加了彈性變形之故。

伺服機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)－失動失動是指運(yùn)動體沒能夠達(dá)到目標(biāo)位置的現(xiàn)象，其失動范圍大小用失動量表示，通常折合成直線運(yùn)動來表示失動量。機(jī)械傳動系統(tǒng)的失動量是各傳動件間的間隙及本身的彈性變形等綜合造成運(yùn)動的死區(qū)。故伺服機(jī)械系統(tǒng)的總失動量 （5）失動失動量的大小在開環(huán)系統(tǒng)中，直接影響控制精度，在閉環(huán)系統(tǒng)中影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4-14）式中——傳動件間隙引起的失動量；——伺服剛度引起的失動量；——機(jī)械系統(tǒng)剛度引起的失動量。1§5.3步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動一、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频碾姎鈭?zhí)行元件，電機(jī)繞組每接受一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度（即步距角），低頻率運(yùn)行時，明顯可見電機(jī)軸是一步一步轉(zhuǎn)動的，故稱為步進(jìn)電動機(jī)。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明工作原理：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用定子繞組通電勵磁，產(chǎn)生反應(yīng)磁阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。如圖示，定子有三對磁極A-A，B-B，C-C，若轉(zhuǎn)子有40個齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為：定子每相磁極有5個齒，其齒距寬度與轉(zhuǎn)子一樣，則相鄰兩個齒的夾角必定是9°。

當(dāng)A相磁極與轉(zhuǎn)子的齒對齊時，即定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊時，磁導(dǎo)率最大，磁阻最小，就會產(chǎn)生右圖所示的B、C相磁極錯齒情況：在B相磁極中心線上應(yīng)是m號齒：顯然，B相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第13個齒再過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號齒：即C相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第26個齒再過6°的地方，換而言之，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)子就跟隨磁場一步一步轉(zhuǎn)動，若需反向轉(zhuǎn)動，只需改變通電相序A-C-B，A-C-B…。23三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式：單三拍時：A—B—C,—A—B—C…4雙三拍時：單雙拍（即六拍）時：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,--A—AB—B—BC—C—CA…二、步進(jìn)電機(jī)的種類按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為三種：反應(yīng)式(VR，VariableReluctance）永磁式(PM，PermanentMagnet)混合式(HB,Hybrid)按勵磁相數(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，結(jié)構(gòu)簡單，步矩角小，性價比高，應(yīng)用廣泛，但動態(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)型號表示：BF勵磁繞組相數(shù)或代號反應(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)的性能參數(shù)1、齒距角αz：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒的夾角2、步距角α：步進(jìn)電機(jī)每接受一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個固定的角度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”四、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性1、距角特性：單相通入額定通電時，其靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系2、啟動轉(zhuǎn)矩：相鄰兩通電狀態(tài)時，矩角特性交點(diǎn)的靜轉(zhuǎn)矩，反映了電機(jī)的承載能力5、最高啟動頻率fqmax：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、最高運(yùn)行頻率fmax：步進(jìn)電機(jī)不失步運(yùn)行時，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=（30～50%）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θ：單相定子通電時，該相定子齒與轉(zhuǎn)子齒的中心線不重合所夾角3、矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系高速時，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，回路有電氣時間常數(shù)，電感電流變化有一個過渡過程，達(dá)不到電流穩(wěn)態(tài)值。五、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)計1、脈沖當(dāng)量δ：步進(jìn)電機(jī)每接受一個脈沖時，工作臺走過的位移單位為mm/pulseδ=

0.001～0.0025精密機(jī)床0.005～0.01數(shù)控機(jī)床

0.1～0.15一般機(jī)床角脈沖當(dāng)量δα：就是步距角α(°/pulse)當(dāng)通過中間傳動裝置時，角脈沖當(dāng)量δα為：M驅(qū)動器指令脈沖如下圖，步進(jìn)電機(jī)通過絲杠螺母副帶動工作臺運(yùn)動時，其脈沖當(dāng)量δ為：Z1Z2設(shè)計時，先根據(jù)運(yùn)動精度選定δ，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)α，并選定絲杠的導(dǎo)程p,計算出傳動比i后，最后設(shè)計傳動齒輪的各參數(shù)等。2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax與相數(shù)、拍數(shù)一般根據(jù)TL

≤（30～50%）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)4、轉(zhuǎn)動慣量與加減速性能步進(jìn)電機(jī)的加減速性能與轉(zhuǎn)動慣量所產(chǎn)生的慣性力矩有關(guān)慣性力矩：轉(zhuǎn)動慣量和角加速度越大，步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率越低，加減速性能越差，越容易失步。通過減小步距角和減小轉(zhuǎn)動慣量改善啟動、加減速性能5、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算作用在步進(jìn)電機(jī)軸的總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩按下式計算：6、等效轉(zhuǎn)動慣量的計算其中：Jm是電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.m2）Jd是系統(tǒng)折算到電機(jī)軸的總的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.m2）是電機(jī)啟動、制動時的角加速度（rad/s2）F作用在工作臺的摩擦力（N）FW作用在工作臺的外力（N）伺服系統(tǒng)傳動鏈的總效率（取0.7—0.85）絲杠螺母預(yù)緊時的傳動效率（取0.9）F0絲杠螺母預(yù)緊時的力（N）P是絲杠螺距（mm）i是總傳動比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(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量Jd由幾部分組成：電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量Jm齒輪Z1的轉(zhuǎn)動慣量JZ1齒輪Z2的轉(zhuǎn)動慣量JZ2和絲杠的轉(zhuǎn)動慣量JS折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量工作臺折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量對于直線移動的工作臺，折算到絲杠軸的轉(zhuǎn)動慣量為：絲杠軸折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：因此，折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動慣量Jd為：對于齒輪齒條傳動的工作臺，折算到驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動慣量為：對于帶傳動的工作臺，折算到驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動慣量為：R為齒輪分度圓半徑為驅(qū)動軸的角速度v為工作臺的速度六、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制電路步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，其驅(qū)動電路方式有多種：

單電壓驅(qū)動（見p55）

雙電壓驅(qū)動（見p56）

斬波恒流驅(qū)動（電流驅(qū)動）

細(xì)分驅(qū)動對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六、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)（或計算機(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）§5.4直流伺服電機(jī)驅(qū)動一、直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服電機(jī)類型電勵磁：勵磁量容易調(diào)整，成本低，效率低永久磁鐵：不需勵磁功率，效率高，性能好驅(qū)動系統(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)速的大小通過轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測并反饋。圖1電樞控制原理二、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，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，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)特性三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計動態(tài)特性：當(dāng)在電樞上外加階躍電壓時，轉(zhuǎn)速隨時間的變化過程，即：n=f(t)或=f(t)1、直流電機(jī)的選擇2、設(shè)計的要求根據(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)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩滿足要求折算到電機(jī)軸的負(fù)載總轉(zhuǎn)動慣量小于或等于電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量啟動、制動、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、滿足動態(tài)轉(zhuǎn)矩要求四、直流伺服電機(jī)的調(diào)速其中：Tq為啟動轉(zhuǎn)矩TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩加速過程近似線性過程，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或負(fù)載經(jīng)常變化時，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為整個工作時間（或周期）Tt為瞬時轉(zhuǎn)矩有三種調(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，

磁場控制調(diào)速（即恒功率調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時，

混合調(diào)速（即恒功率調(diào)速），如主軸伺服驅(qū)動，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)§5.5交流伺服電機(jī)驅(qū)動一、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器組成伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)伺服驅(qū)動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)類型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類：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)動的永磁交流伺服系統(tǒng)矩形波電流驅(qū)動的無刷直流伺服系統(tǒng)二、異步交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：其中：f為電源頻率s為轉(zhuǎn)差率p為極對數(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，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，通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，有三種方式：

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，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)特性控制繞組勵磁繞組3、輸出特性P=f(n)：控制電壓不變時，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，輸出功率為零，輸出功率的最大值在n=55%n空轉(zhuǎn)。

4、動態(tài)特性n=f(t)外加階躍電壓時，轉(zhuǎn)速隨時間的變化過程，理論分析知，交流和直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)類似，因此，理想時，二者的動態(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)和無刷直流電機(jī)1、永磁同步交流電機(jī)PMSM（PermanentMagnetSynchronousMotor）：2、無刷直流電機(jī)BDCM（BrushlessDCMotor）：用永磁體轉(zhuǎn)子代替繞線式轉(zhuǎn)子的勵磁繞組，省卻了勵磁線圈、滑環(huán)、電刷等。將直流同步電機(jī)的定子永磁勵磁改為永磁體轉(zhuǎn)子勵磁，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似。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)律三相交流量兩相交流量交流/直流變換逆變換等效直流量還原三相交流量實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制五、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇電機(jī)選擇成本轉(zhuǎn)矩慣量比功率密度調(diào)速范圍對傳感器要求轉(zhuǎn)矩脈動性轉(zhuǎn)矩速度曲線§5.6伺服機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)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(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控x、y工作臺、機(jī)器人的關(guān)節(jié)移動等。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示：包括開環(huán)伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計和閉環(huán)伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計，重點(diǎn)介紹前者PC機(jī)驅(qū)動器執(zhí)行元件傳動機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案確定實質(zhì)是對上述各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇設(shè)計

執(zhí)行元件的選擇

傳動機(jī)構(gòu)方案的選擇開環(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，考慮后者?？傊紤]負(fù)載能力、調(diào)速范圍、體積、成本等因素。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇傳動機(jī)構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個機(jī)械接口，用于對運(yùn)動和力進(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)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)有：絲杠螺母傳動同步齒型帶傳動齒輪齒條傳動直線電機(jī)傳動最常用步進(jìn)電機(jī)與絲杠螺母間的運(yùn)動傳遞可能有多種形式：采用同步齒型帶傳動絲杠：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(dāng)量、轉(zhuǎn)矩放大、慣量匹配等通過聯(lián)軸器直接相連：結(jié)構(gòu)簡單，可獲得高速，對電機(jī)負(fù)載能力要求較高執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是進(jìn)行實際操作的機(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，即二、開環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計計算

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：滾動導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌、液體導(dǎo)軌塑料貼面滑動導(dǎo)軌包括微機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制方式、驅(qū)動電路、接口電路等的選擇和設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定，對于開環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取

=0.005-0.01mm/pulse初選步進(jìn)電機(jī)指：選擇步進(jìn)電機(jī)的類型和步矩角混合式：兼以上二者優(yōu)點(diǎn)，但價格高反應(yīng)式：小、f高、價格低，功耗大永磁式：大、f低，功耗小，斷電后仍有制動力矩

計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量

確定減速傳動比按產(chǎn)品樣本中給出的主要技術(shù)參數(shù)選用傳動比公式：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。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(zhuǎn)角誤差最小。計算時，按P104，級數(shù)選擇曲線和傳動比分配曲線目的：為選擇步進(jìn)電機(jī)動力參數(shù)及進(jìn)行系統(tǒng)動態(tài)分析做基礎(chǔ)圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式：

確定步進(jìn)電機(jī)動力參數(shù)折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動慣量Jd計算公式為：步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算：步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定：驗算慣量匹配步進(jìn)電機(jī)最大啟動頻率確定：步進(jìn)電機(jī)最大運(yùn)行頻率確定：根據(jù)啟動頻率特性曲線：Tq

對應(yīng)的fqmax

，實際運(yùn)行的fq

<fqmax根據(jù)運(yùn)行頻率特性曲線：TL對應(yīng)的fmax

，實際運(yùn)行的f

<fmax電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量與電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動慣量應(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)動特性受負(fù)載變化干擾；比值太小，不經(jīng)濟(jì)，大馬拉小車。

計算傳動系統(tǒng)剛度通過減速傳動比i和絲杠導(dǎo)程p的合理搭配，使慣量匹配趨于合理。傳動系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示絲杠副傳動系統(tǒng)的力學(xué)模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動系統(tǒng)的傳動剛度為：此公式計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)剛度計算公式為：G為切變摸量

計算死區(qū)誤差

計算定位誤差死區(qū)誤差又稱之為失動量，指啟動或反向時，系統(tǒng)的輸入與輸出運(yùn)動間的差值產(chǎn)生死區(qū)誤差的原因電氣系統(tǒng)和執(zhí)行元件的啟動死區(qū)（不靈敏區(qū)）傳動機(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)載力由于傳動剛度變化引起定位誤差為：對于開環(huán)系統(tǒng)為系統(tǒng)允許的定位精度

驗算固有頻率固有頻率的計算公式為：m是工作臺質(zhì)量或工作臺絲杠三、開環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)誤差分析誤差來源誤差校正步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)的步距誤差，一般在左右，突然啟動時有滯后，停止時有超前，從整個系統(tǒng)的誤差看，這一誤差較小，通常忽略不計；齒輪傳動：齒輪副的傳動誤差和間隙會對系統(tǒng)造成誤差；滾珠絲杠副傳動：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，會產(chǎn)生傳動誤差；其它傳動裝置：聯(lián)軸器、齒型帶傳動和諧波齒輪傳動等都會對系統(tǒng)造成傳動誤差。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)動慣量、提高傳動剛度、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)整撥碼開關(guān)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電路電路具有自動判斷方向的改變，并在反向時發(fā)出補(bǔ)償命令的功能，補(bǔ)償脈沖可以達(dá)到幾百個。例:測量得到的反向死區(qū)誤差為0.016mm，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm/pulse,試問撥碼開關(guān)應(yīng)預(yù)置到哪一檔才能實現(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)模型輸入計算機(jī)，計算機(jī)一邊輸出工作指令，一方面計算誤差，輸出校正指令，形成附加運(yùn)動，用以校正位移誤差。反饋補(bǔ)償誤差校正：采用反饋補(bǔ)償型的開環(huán)控制系統(tǒng)減小系統(tǒng)的誤差，提高精度。撥碼開關(guān)應(yīng)預(yù)置到3檔，消除誤差為3*0.005=0.015mm反饋補(bǔ)償型的開環(huán)控制系統(tǒng)原理如下：步進(jìn)電機(jī)M驅(qū)動器指令脈沖混合器脈沖補(bǔ)償感應(yīng)同步器測試器e=s機(jī)-s電補(bǔ)償脈沖四、閉環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計計算采用步進(jìn)細(xì)分電路校正誤差：實質(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)時的動能減小，振動減小，精度提高，特別是提高了低速時的平滑性。選擇伺服電機(jī)類型交流伺服電機(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，速比大，低速（0.1r/min）時,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），過載能力強(qiáng)；響應(yīng)速度快，從零轉(zhuǎn)速到1500r/min，時間在0.2s內(nèi)，角加速度達(dá)400rad/s2能夠頻繁啟動、制動、反轉(zhuǎn)、加減速等。國外伺服電機(jī)品牌：德國：SIEMENS公司、INDRAMAL公司等美國：AB公司、PARKER公司法國：ALSTHOM公司國內(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，確定阻尼比由實驗可得到各種導(dǎo)軌的等價阻尼比，同時考慮系統(tǒng)的速度、穩(wěn)定性、潤滑、材料等。靜壓導(dǎo)軌：0.02滑動導(dǎo)軌：0.02--0.3滾動導(dǎo)軌：0.02--0.05確定系統(tǒng)增益k和機(jī)械傳動鏈的固有頻率根據(jù)控制精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，一般取k=8—15/s由系統(tǒng)增益和導(dǎo)軌阻尼比，初步確定滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求所需的機(jī)械傳動鏈固有頻率為：阻尼比五、絲杠工作臺的簡化模型設(shè)計伺服機(jī)械傳動系統(tǒng)并校驗這一環(huán)節(jié)的計算與開環(huán)系統(tǒng)類似，主要包括：機(jī)械傳動方案選擇；初選絲杠直徑；計算總傳動比；計算等效轉(zhuǎn)動慣量，并驗算慣量匹配；計算傳動系統(tǒng)綜合拉壓剛度，并計算固有頻率，校驗是否滿足系統(tǒng)對固有頻率的要求。計算出某項不符合要求時，重新設(shè)計計算。絲杠工作臺縱振（水平方向）系統(tǒng)可以簡化為下圖所示的動力學(xué)模型，即彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。圖示絲杠工作臺系統(tǒng)的動力學(xué)模型mKxcy動力學(xué)平衡方程為:式中:m是絲杠工作臺的等效集中質(zhì)量c是絲杠工作臺導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù)k是絲杠螺母機(jī)構(gòu)的綜合拉壓剛度y是工作臺的實際位移x是電機(jī)轉(zhuǎn)角折算到工作臺的等效位移，即指令位移對上式拉氏變換,得系統(tǒng)傳遞函數(shù):化簡成二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式為:令為絲杠工作臺系統(tǒng)的固有頻率為系統(tǒng)縱向振動阻尼比(即粘性阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比)影響系統(tǒng)動特性的主要參數(shù)是和，由k、m、c決定。失動量和固有頻率的計算實例例－固有頻率計算直流電機(jī)：轉(zhuǎn)速nm=900r/min;功率P=1.5kW；轉(zhuǎn)動慣量Jm=2×10-2kg·m2。齒輪箱：高速鏈傳動比iH=3,低速鏈傳動比15；折算到電機(jī)軸的齒輪系轉(zhuǎn)動慣量：高速鏈JGMH=0.5×10-2kg·m2，低速鏈JGML=0.1×10-2kg·m2。(由于傳動鏈的不同）滾珠絲杠：內(nèi)徑d1=0.056m；螺距t=0.012m；內(nèi)循環(huán)雙螺母差調(diào)隙；兩端止推結(jié)構(gòu)；兩端軸承間距離L=2.16