第四章-西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院

西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4

動力驅(qū)動及定位4.1

動力驅(qū)動裝置分析4.1.1

驅(qū)動裝置的技術(shù)特點(diǎn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，是實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的重要環(huán)節(jié)，其動力源(電動式、氣動

式、液動式或綜合式)應(yīng)根據(jù)整個系統(tǒng)的具體技術(shù)要求而定。驅(qū)動裝置要快速完成預(yù)期的動作，相應(yīng)速度要快，動態(tài)性能好，此外，動作靈敏度西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育要高，便于集中控制。因此應(yīng)具備效率高，體積小，重量輕，自控性強(qiáng)，可靠性高等技術(shù)特點(diǎn)。當(dāng)前，驅(qū)動機(jī)構(gòu)正朝標(biāo)準(zhǔn)化，系列化和智能化方向發(fā)展。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.1.2

驅(qū)動裝置的技術(shù)要求為了更好地達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)，把完全確定的輸入量(即把物料、能量信息(指令))在一定空間和時間條件下，完成所希望的轉(zhuǎn)化效應(yīng)(輸出量)，則要求執(zhí)行裝置能經(jīng)濟(jì)有效地達(dá)到主要性能指

標(biāo)：精度、穩(wěn)定度、響應(yīng)速度和可靠性。西南科技大4.1.2.1精度對于系統(tǒng)中的裝置要求其傳動精度和定位精度要高，傳動系統(tǒng)中的傳動誤差和回程誤差對控制系統(tǒng)性能的影響，按其在系統(tǒng)中所處位置不同有所差異。如圖4.1示學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育一般傳動誤差可視為兩部分組成：低頻分量伺服帶寬以內(nèi)低頻分量和伺服帶寬以外高頻分量。閉環(huán)前的傳動鏈G1的傳動誤差低頻分量影響伺服精度，而高頻分量無影響。G2的傳動誤差高頻分量影響伺服精度，低頻分量無影響。對于反饋回路上的G3與G1類似。閉環(huán)后的G4，其傳動西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育服精度，而G2的回程誤差不影響伺服精度，但穩(wěn)定性有很大影響。G3的回程誤差對伺服精度穩(wěn)定性均有影響，而G4影響數(shù)據(jù)的傳遞精度。由于伺服系統(tǒng)中的傳動鏈誤差的低頻分量和高頻分量對伺服精度的影響不同，因此必須對傳動誤差進(jìn)行頻譜分析。西南科技大學(xué)網(wǎng)圖4.2示為位置控制系統(tǒng)圖，描述兩者之間的定量關(guān)系。圖4.2絡(luò)教育位置控制系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)的輸入輸出的傳遞函數(shù)G(S)，由下式表示(4.1)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中—固有頻率(S-1

)；—阻尼比；T

v

—時間常數(shù)(S

)；TP

—系統(tǒng)回路增益(S-1

)；西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育對于階躍輸入的響應(yīng)(4.2a)(4.2b)(4.2c)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)圖4.3所示為不產(chǎn)生超調(diào)時，整定后的臨界控制狀態(tài)ζ＝1時的殘余偏差(殘差)與基準(zhǔn)時間ωnt關(guān)系曲線。由圖可知，輸入量為偏差，當(dāng)殘差為0.01rad時，所達(dá)到的時刻ωnt

≈65，求出控制參數(shù)K

p

、T

v

值，不難計算出該值變換后的實際時間。當(dāng)K

p=50s-1

，T

v

=0.002s時，則實際時間絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)n。若達(dá)到高精度同時減小定位時間，則必須提高系統(tǒng)的固有頻率ω增大ωn

就要提高KP

，降低TV

，提高系統(tǒng)的

增益。但是，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電動機(jī)，因共振或磨損等因素，圖4.3偏差與定位時間絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育阻止提高系統(tǒng)的增益。由于存在摩擦阻力和磨

損，又影響速度和精度兩者同時達(dá)到理想效果。若同時實現(xiàn)位置控制的高速化和高精度，要考慮各環(huán)節(jié)以及整個系統(tǒng)的控制形式，并加以實施。執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的傳動部分要消除磨損，間隙，變形等，摩擦阻力要盡量低，同時各個部分結(jié)構(gòu)要合理配置。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.1.2.2

穩(wěn)定性穩(wěn)定性與振動，熱效應(yīng)以及其他環(huán)境因素有關(guān)，要提高系統(tǒng)的抗震性，就必須增大執(zhí)行裝置的固有頻率，一般不應(yīng)低于50~100，并需提高系統(tǒng)的阻尼能力。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行裝置一般處于回路之內(nèi)(圖4.4)，其結(jié)構(gòu)、固有頻率和回程誤差西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(指頻率低于伺服帶寬的那部分傳動誤差)就可得到校正。對圖4.4所示的開環(huán)系統(tǒng)，無檢測裝置，不對過程位置進(jìn)行檢查和反饋，執(zhí)行裝置的傳動誤差和回程誤差直接影響整個系統(tǒng)的精度，但不存在穩(wěn)定性問題。西南科技圖4.4 控制系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置（a）閉環(huán)控制系統(tǒng) （b）開環(huán)控制系統(tǒng)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大系統(tǒng)的穩(wěn)定性還取決于系統(tǒng)的相對阻尼

系數(shù)，它與執(zhí)行裝置的力矩放大系數(shù)有關(guān)。閉環(huán)系統(tǒng)的相對阻尼系數(shù)為：δ

——粘性阻尼系數(shù)式中J∑

M——所有傳動件的轉(zhuǎn)動慣性折算到輸出軸上值K＝k

t

k

D

/K

——系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)it學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中k

t

—執(zhí)行裝置之前的系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)k

D

——執(zhí)行裝置的力矩放大系數(shù)；It

——執(zhí)行裝置的總轉(zhuǎn)速比。的大小對控制系統(tǒng)性能有一定影響，既it要考慮對系統(tǒng)穩(wěn)定性、精確性、快速性的影響，也要考慮對執(zhí)行元件與負(fù)載的最佳頻率匹配問題。選擇較大的it

，可使系統(tǒng)的相對阻尼系數(shù)增大，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。低速時，摩擦不穩(wěn)定，西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育成低速爬行，加大i

t，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速就相對提高，從而可避免爬行現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速比it

選擇偏大，造成傳動系數(shù)增大，結(jié)構(gòu)不緊湊，傳動精度、效率、剛度與結(jié)構(gòu)的固有頻率降低，可能使輸出軸得不到所需峰值轉(zhuǎn)速。一般，總轉(zhuǎn)速比的數(shù)值，不宜超過伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速比。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.1.2.3

響應(yīng)速度響應(yīng)速度主要取決與系統(tǒng)的加速度。要提高角加速度，就必須提高伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，減小摩擦阻力，減小電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，提高傳動效率。4.1.2.4

可靠性可靠性、抗干擾性和運(yùn)行安全性是確定機(jī)電西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育標(biāo)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特征是能自動地完成能量變換和對信息的處理與控制。在系統(tǒng)中具有很低能量水平的自動化信息處理裝置（控制和調(diào)節(jié)裝置，微型計算機(jī)），常常同強(qiáng)功率的電氣裝置（如電磁鐵、電動機(jī)、整流器等）裝在一個緊密的有限空間內(nèi)運(yùn)行，原理上給系統(tǒng)造成電氣西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教生的，或者由系統(tǒng)元件固有的非線形特性（集膚效應(yīng)、信號導(dǎo)線上的發(fā)射現(xiàn)象、顫動過程等）引起的。機(jī)電一體化系統(tǒng)都是可修理的系統(tǒng)。系統(tǒng)可靠性用持續(xù)可用性來表示(4.3)育西南科技式中T—系統(tǒng)有工作能力時間，即平均停機(jī)時間間隔時間；—平均停機(jī)時間假設(shè)系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)（只要其中一個元件失效，整個系統(tǒng)停止工作），且有恒定的元件故障率，則(4.4)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中λ

——第個系統(tǒng)元件的故障率，n

——系統(tǒng)元件數(shù)目為了使（4.3）有很高的數(shù)值，必須使T值盡可能高。因此，執(zhí)行裝置作為系統(tǒng)，其元件故障率要盡量小，各元件應(yīng)實現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu)布置并采取有效保護(hù)措施，以防止化學(xué)、機(jī)械、電、熱等方面的過載荷，使元件受到影響。有時使系西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育靠的運(yùn)行。由于執(zhí)行裝置的工作情況千差萬別，所承受載荷大小也多種多樣，因此載荷的綜合視具體情況而定，一般作用在執(zhí)行裝置上的載荷，主要有工作載荷、慣性載荷、摩擦載荷，它們的綜合，通常采用峰值綜合和均值綜合兩種方法。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.1.3系統(tǒng)的品質(zhì)工作穩(wěn)定性，精確性（穩(wěn)態(tài)精度），快速性和阻尼程度等是對系統(tǒng)最基本的要求，通常它們是通過系統(tǒng)輸入特定信號的過渡過程和穩(wěn)態(tài)值來表示的。這些品質(zhì)指標(biāo)是比較各種方案優(yōu)劣以及制定產(chǎn)品協(xié)議的基礎(chǔ)，是檢驗最佳化的尺度，一般西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育過渡過程表征了系統(tǒng)的動態(tài)性能，它是指系統(tǒng)的被控制量，在受到控制量或擾動量作用時，由原來的平衡狀態(tài)(或穩(wěn)態(tài))變化到新的平衡態(tài)的過程。圖4.5示為單位階躍信號作用下控制系統(tǒng)的過渡過程曲線C(t)。曲線（1）振蕩收斂，系統(tǒng)穩(wěn)定；曲線（2）單調(diào)收斂，系統(tǒng)穩(wěn)定；曲線（3）振蕩發(fā)散，系統(tǒng)不穩(wěn)定；曲線（4）單調(diào)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育發(fā)散，系統(tǒng)不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是系統(tǒng)自身的固有特性，也是系統(tǒng)能正常工作的首要條件。圖4.5過渡過程曲線西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.1.3.1

系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)圖4.6所示為二階系統(tǒng)在單位階躍信號作用下過渡過程一般形式。通常，希望二階系統(tǒng)工作在ξ＝0.4~0.8的欠阻尼狀態(tài)態(tài)。在這種狀態(tài)下，將有一個振蕩特性適度、持續(xù)時間較短的過渡過程，但并不排除在某些情況下需要采用過阻尼或臨界阻尼狀態(tài)。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育響應(yīng)的特征值來表征系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。

(1)穩(wěn)態(tài)誤差被控制信號的期望值C(t)與穩(wěn)態(tài)值C(∞)之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。它是系統(tǒng)控制精度的一種度量方法，是由于系統(tǒng)不能很好地跟蹤輸入信號而引起的原理性誤差。若系統(tǒng)中執(zhí)行裝置的元器件不完善，如靜摩西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育等，都會造成系統(tǒng)的誤差，稱為靜差。穩(wěn)態(tài)誤差和靜差是表征系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的一項性能指標(biāo)。利用誤差系數(shù)，可方便地求出穩(wěn)態(tài)誤差。誤差系數(shù)可通過對誤差傳遞函數(shù)求導(dǎo)或用查表法求出。(2)上升時間t

r對于欠阻尼二階系統(tǒng)，過渡過程曲線從零上升到100%穩(wěn)態(tài)值所需時間稱為上升時間t

r

。西南科技大的10%上升到90%所需時間稱為上升時間t

r

。(3)峰值時間tp過渡過程曲線達(dá)到第一個峰值所需時間稱為峰值時間tp圖4.6單位階躍信號作用下的過渡過程學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大(4)最大超調(diào)量σ圖4.6中曲線C(t)是一條衰減的正弦曲線，其振蕩程度用超調(diào)量σ來描述式中C

(t

p)——過渡過程曲線C(t)第一次達(dá)到的最大輸出值；C(∞)——過渡過程的穩(wěn)定值。(4.5)學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（5）過渡過程時間ts若t

≥

ts時，有

︳C

(t)－

C(∞)

︳≤△

，則定義為過渡過程時間。用穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)△表示允許誤差范圍（一般△＝5%

或△＝2%

），這樣過渡過程曲線達(dá)到并永遠(yuǎn)保持在

△范圍內(nèi)所需時間即為

t

s

(或稱調(diào)節(jié)時間)。Ts

的大小表征控制系統(tǒng)反映輸入信號的快速性。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（6）振蕩次數(shù)N在時間0≤t≤ts

內(nèi)，過渡過程曲線C(t)穿越其穩(wěn)態(tài)值C(∞)次數(shù)的一半稱振蕩次數(shù)。它也是反映系統(tǒng)阻尼特性的一個特征值，N

越小系統(tǒng)的阻尼性能越好。ts

、tp

、σ和N

稱為控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，其中ts和tp表征系統(tǒng)的快速性能，σ表征系統(tǒng)的阻尼性能。設(shè)計一個機(jī)電一體化系統(tǒng)，其中西南科技大學(xué)網(wǎng)行裝置作為子系統(tǒng)，既要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，又要滿足動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)的要求，這是一項必須實現(xiàn)的基本任務(wù)。4.1.3.2

單位階躍響應(yīng)的特征量計算(1)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)由式（4.1）求得二階系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下輸出信號的拉氏變換，即(4.6)絡(luò)教育西南科技對上式進(jìn)行拉氏變換得C(t)

＝L﹣1[C(S)]顯然，由式看出，對于0＜ξ＜1的過渡過程C(t)為衰減正弦振蕩曲線，衰減速度取決于ξωn值的大小，衰減振蕩頻率（有阻尼自振頻率）?？梢?，衰減振蕩周期得。將ξ=0代入系統(tǒng)階躍響應(yīng)式，C(t)

＝1－

cosωnt

(t≥0)

，大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技這是欠阻尼的一種特殊情況。其階躍響應(yīng)是等幅正弦振蕩。顯然，ωd

＜ωn

，且隨ξ

值增大ωd

值將減小。（2）上升時間tr

的計算時，將式（4.6）展開，根據(jù)定義，當(dāng)t=tr并進(jìn)行拉氏反變換得大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育即因故或西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育由圖4.7得因此，上升時間為式中西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育最大超調(diào)量σ的計算由定義得(4.8)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南（4）峰值時間tp的計算將式（4.2a）對時間求導(dǎo)，并令經(jīng)整理后得將上式變換為所以科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育由于峰值時間t

p

是過渡過程C

(t)在到第一個峰值所對應(yīng)的時間，因此ωdtp=π。故(4.9)(5)過渡過程時間ts的計算按式（4.2a）以及ts定義，可近似認(rèn)為西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育則項(0＜ξ＜0.9)若取△=5%，且忽略時，則(4.10)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教項，若取△=2%，且忽略則從式（4.7）、式（4.8）、式（4.9）、式（4.10）、式（4.11）得知，tr

、tp、ts均與阻尼比ξ和無阻尼自振頻率ωn有關(guān)，而σ只是阻尼比ξ的函數(shù),與ωn無關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)阻尼比ξ確定后，可求得對應(yīng)的σ。反之，σ(4.11)育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育知，也可求出相應(yīng)的阻尼比ζ的數(shù)值。圖4.8給出了σ與ξ的關(guān)系曲線。一般為獲得良好的過渡過程，阻尼比ξ

=0.4~0.8為宜，相應(yīng)的σ=2.5%~25%。ξ值小(ξ

＜0.4)，將造成系統(tǒng)過渡過程嚴(yán)重超調(diào)；ξ值大(ξ

＞0.8)，將使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間變得緩慢。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育通常，阻尼比ξ根據(jù)σ的要求而定，過渡來確定，即在過程時間ts

(tr

?tp

),可主要根據(jù)ωn不改變σ情況下，調(diào)整ωn改變系統(tǒng)快速性。(6)振蕩次數(shù)N

的計算式中當(dāng)△

＝2%

時，，則西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(4.12)西南科當(dāng)△=5%時，，則若已知即，(4.13)技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科則(△＝2%)(△＝5%)可見，振蕩次數(shù)N

只與ξ有關(guān)，其關(guān)系曲線如圖4.9示(4.15)(4.14)技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育圖4.8

δ與ξ關(guān)系曲線西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育圖4.9振蕩次數(shù)N與ξ關(guān)系的曲線西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.1.3.3

頻率特性法的品質(zhì)指標(biāo)在工程上，通常傳動系統(tǒng)的設(shè)計多采用頻率特性法，系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)用頻率特性來表示。

(1)開環(huán)系統(tǒng)頻率特性的主要品質(zhì)指標(biāo)（圖4.10）1)頻率ω=0

時放大系數(shù)V0，表征系統(tǒng)的精度。穿越頻率ωd（對數(shù)幅頻特性通過橫軸時的頻率），表征系統(tǒng)的快速性。穿越頻率處的相位裕量γ相頻特性在ωd

處相西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育距-1800的相位差），表征系統(tǒng)的振蕩特性。

(2)閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性的品質(zhì)指標(biāo)（圖4.11）截止頻率ωg（閉環(huán)系統(tǒng)放大系數(shù)降到0.7頻率），該頻率相當(dāng)于開環(huán)系統(tǒng)的穿越頻率。2)諧振頻率ωm（閉環(huán)幅頻特性具有最大幅值時的頻率），當(dāng)γ≤630時沒有此值。3)諧振峰值∣Fg∣m諧振頻率處的值，當(dāng)γ≥630時沒有此值。圖4.10開環(huán)頻率特性的品質(zhì)指標(biāo)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育圖4.11閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性品質(zhì)指標(biāo)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育表4.1為位置傳動系統(tǒng)的典型品質(zhì)指標(biāo)參考數(shù)值范圍。例如，對于高質(zhì)量CNC的進(jìn)給運(yùn)動，其所有的品質(zhì)指標(biāo)為1級；對于無線電望遠(yuǎn)鏡隨動系統(tǒng)，其快速性為3級，而精度則必須是1級。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育表4.1傳動的品質(zhì)指標(biāo)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.1.4

能量轉(zhuǎn)換接口4.1.4.1

系統(tǒng)的接口系統(tǒng)與外部周圍聯(lián)系，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)元件間的聯(lián)系）和功能描述都可以表征系統(tǒng)的性能。接口通常指計算機(jī)與外部的主要聯(lián)系，如圖

4.12所示。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育圖4.12機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)含有兩個彼此有信息耦合的子系統(tǒng)；電、機(jī)械能變量與控制，以能量為主的子系統(tǒng)（通常指傳動系統(tǒng)功率部分）和實現(xiàn)控制、保護(hù)檢測功能的信息處理子系統(tǒng)。每一種機(jī)電一體化系統(tǒng)，都是根據(jù)系統(tǒng)元件的工作方式及其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一種確定的系統(tǒng)外部函西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中y=

f

(

x

,d

)y——被控制量x

——給定量d

——擾動量y

與x

之為了能長時間穩(wěn)定地復(fù)現(xiàn)間預(yù)期關(guān)系，則必須：1)

選擇元件性能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不致因擾動量d

的影響，破壞其預(yù)期關(guān)系。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育確保內(nèi)部擾動量（如元件間的寄生耦合）不產(chǎn)生作用（抗干擾），以及元件的磨損、腐蝕和疲勞效應(yīng)等不使系統(tǒng)功能過早失效（可靠性）。 設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)與外部的主要聯(lián)系和三個接口尤為重要。西南科(1)系統(tǒng)一機(jī)械裝置接口通過該接口的機(jī)械能為或式中T

——機(jī)械轉(zhuǎn)矩ω

——角速度；F

——作用力；v

——速度。技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（2）系統(tǒng)—電網(wǎng)接口 該接口通過的電能n＝1，2

，

3·

·

·式中un

——工作電壓in

——工作電流西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（3）系統(tǒng)—操作接口實現(xiàn)系統(tǒng)控制和監(jiān)測所需的信息流式中Mμ

——總的接口信息量。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育ω/dt

或直線加速度v=dv

/dt。4.1.4.2

系統(tǒng)——機(jī)械裝置的接口首先要分析系統(tǒng)的運(yùn)動過程，以及在運(yùn)動過程相反方向上作用的轉(zhuǎn)矩T

和力F

的大小。(1)運(yùn)動過程的狀態(tài)變量由電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)的運(yùn)動過程，其特征量是角速度ω=f

(t)

或線速度

v

=

f

(t)，從而可導(dǎo)出：角度

φ=∫ωdt

或行程

x=∫v

dt，角加速度ω=

d西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育運(yùn)綜合上述各量，可把運(yùn)動過程特征量表示在一個三維相空間內(nèi)，從而可完整描述與時間有關(guān)的運(yùn)動過程。利用轉(zhuǎn)角、角速度和角加速度的極限值或直線運(yùn)動的相應(yīng)極限值，可以圍成傳動系統(tǒng)實際工作的一個有限空間，在該給定的限制值內(nèi)實現(xiàn)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育定運(yùn)動物體的能量函數(shù)來表示。由于能量函數(shù)決定于物體的角速度或線速度，因此速度是系統(tǒng)的狀態(tài)變量。一個具有n

個運(yùn)動質(zhì)量的傳動系統(tǒng)，可用n

維角速度狀態(tài)向量來描述。狀態(tài)向量表征n維狀態(tài)空間內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)動過程。分析系統(tǒng)—機(jī)械裝置接口，就是定量的確西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育是一種隨機(jī)過程，其幅值特性由高斯密度分布以及狀態(tài)變量所在狀態(tài)空間的有限范圍。(2)阻力或阻轉(zhuǎn)矩，以及動態(tài)力或動態(tài)轉(zhuǎn)矩描述系統(tǒng)——機(jī)械裝置接口的另一個目的，在于確定與運(yùn)動方向相反的阻力或阻轉(zhuǎn)矩大小，以及將產(chǎn)生的動態(tài)力或動態(tài)轉(zhuǎn)矩。阻轉(zhuǎn)矩是加工過程本身和機(jī)械中的摩擦所引起的，一般只能近似地確定。實際上，運(yùn)動過程西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育數(shù)確定，而時間特性由自相關(guān)函數(shù)確定。此外，工程上還采用功率密度來表征隨機(jī)過程。將功率密度積分，就可以確定與隨機(jī)過程有關(guān)的總功率，如阻轉(zhuǎn)矩中損耗功率。借助與專門的測試儀器，可把隨機(jī)過程從恒定部分和周期變化部分中分離出來，從而確定自相關(guān)函數(shù)和功率密度參數(shù)，作為精確度地計算傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對快速西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育程，即快速響應(yīng)和低速平穩(wěn)性，要明確主要的擾動量，哪些需要調(diào)節(jié)，以及允許的最大調(diào)節(jié)偏差值。給定值（參考值）和擾動量變化時，要明確調(diào)節(jié)時間。在設(shè)計高質(zhì)量機(jī)械傳動系統(tǒng)時，必須使系統(tǒng)具有良好的傳遞特性。應(yīng)使線性多質(zhì)量系統(tǒng)有足西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育造成系統(tǒng)不允許的振蕩，可通過接入濾波器來減少振蕩程度。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育動力與執(zhí)行元件電動機(jī)的選用電動機(jī)的類型有多種，各有不同的電氣特性和結(jié)構(gòu)形式，以滿足各種機(jī)械負(fù)載和不同工作環(huán)境的傳動要求。做一般傳動用的電動機(jī)功率范圍較廣，從幾分之一千瓦直至幾千瓦，但用于一般生產(chǎn)機(jī)械或輔助傳動的裝置，大多數(shù)為中小功西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.2.1.1

電動機(jī)的主要類型(1)交流電動機(jī)交流電動機(jī)是價格較便宜的一類電動機(jī)，尤其是其中的籠型電動機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械特性好，體積小，價格低，所以應(yīng)用最廣泛?；\型異步電動機(jī)的連續(xù)運(yùn)行特性很好，轉(zhuǎn)速受負(fù)載波動的影響較小，啟動轉(zhuǎn)矩也較大，適用西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育點(diǎn)為起動電流較大，約為額定電流的5—7倍。如果電動機(jī)的容量較大，將對電網(wǎng)產(chǎn)生瞬間的沖擊，為此，常采用各種降壓啟動方式，把啟動電流限制在較小的范圍之內(nèi)。隨著它的起動轉(zhuǎn)矩做相應(yīng)的較大幅度的降低，它只能用于輕載啟動的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)，水泵之類的機(jī)械設(shè)備。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育繞線式交流異步電動機(jī)常用于不調(diào)速連續(xù)運(yùn)行的大功率設(shè)備，如空氣壓縮機(jī)，氣泵等。為解決起動問題，一般采用在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中串接頻敏電阻，以限制起動電流，并獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩。繞線式異步電動機(jī)的另一類用途為起重機(jī)械，只需利用控制電器切換轉(zhuǎn)子回路外接電西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（2）直流電動機(jī)直流電動機(jī)的主要特點(diǎn)是調(diào)速性能好。在一般應(yīng)用場合，大多數(shù)采用他勵式直流電動機(jī)，只需改變電樞的電壓，便可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而且機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較廣。如果組成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可應(yīng)用于高精度的調(diào)速裝置。如果降低西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育速，其特點(diǎn)是可實現(xiàn)比電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速更高范圍內(nèi)的調(diào)速。串勵式直流電動機(jī)的機(jī)械性很軟，低速時轉(zhuǎn)矩很大，故常用于電車，牽引機(jī)械之類的應(yīng)用領(lǐng)域。直流電動機(jī)的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)工作量較大。而且價格較高。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.2.1.2

電動機(jī)容量的計算(1)連續(xù)恒負(fù)載運(yùn)行的電動機(jī)容量計算當(dāng)電動機(jī)在恒負(fù)載運(yùn)行期間，使電動機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)定值，便作為連續(xù)負(fù)載考慮。電動機(jī)功率的計算公式為:P

=

Tn/9565(4.16)式中

P

——電動機(jī)的計算功率(KW)；T

——折算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N*m)；n

——電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min)。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育選用的電動機(jī)額定功率必須稍大于或等于計算功率P

的值。當(dāng)電動機(jī)的使用環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)的400C相差較大，電動機(jī)的額定功率要計入溫度修正系數(shù)，如當(dāng)使用環(huán)境為450C時，電動機(jī)的額定功率約下0降5%；

50

C時將下降12.5%左右。如果電動機(jī)需作重載起動，尚需校驗電動機(jī)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（2）連續(xù)周期性變化負(fù)載的電動機(jī)功率計算

連續(xù)變化負(fù)載的電動機(jī)功率計算方法很多，其中常用的為等效轉(zhuǎn)矩法，其步驟如下：

1）計算并描繪折算到電動機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖，即T

=

f

(t

)2)計算變化負(fù)載的等效轉(zhuǎn)矩(4.17)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中

Te

——

等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N*m)

；T1

T2

——各段負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N*m)；t1

t2

——各段負(fù)載的持續(xù)時間；——為負(fù)載變化的周期。按負(fù)載Te初選電動機(jī)的型號，然后在原轉(zhuǎn)矩疊加加速階段的動態(tài)轉(zhuǎn)矩 ，即可得到更實際的轉(zhuǎn)矩圖，再按上述的計算公式求得選擇電動機(jī)用的等效轉(zhuǎn)矩Tcd。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育3)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的校驗，先由公式（4.17）計算電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)計算得到的等效轉(zhuǎn)矩Tcd

≤

TN，即認(rèn)為所選電動機(jī)型號可用。該方法適用于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比的使用場合，不適用在運(yùn)行周期內(nèi)頻繁起動制動的籠型異步電動機(jī)的運(yùn)行方式。較準(zhǔn)確的計算是采用平均消耗法，它按電動機(jī)的溫升進(jìn)行校驗，西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)育（3）短時工作制的電動機(jī)功率計算短時工作制的特點(diǎn)是電動機(jī)的運(yùn)行時間較短。而停止時間卻很長，所以電動機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)定值，如機(jī)床的夾緊裝置，控制閥門所用的電動機(jī)。該類工作制的電動機(jī)選擇，首先要校驗它的啟動轉(zhuǎn)矩是否足夠，應(yīng)把電動機(jī)的過載能力考慮(4.18)教西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中

TS—

負(fù)載所需的起動轉(zhuǎn)矩(N·m

)Tm

—

啟動過程中的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m

)KS

—加速所需的動態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，一般取1.15——1.25；KV

—電壓波動系數(shù)（啟動時的電動機(jī)端電壓與電動機(jī)額定電壓之值）。短時工作制配用的電動機(jī)應(yīng)選用短時定額的電動機(jī)，也可選用斷續(xù)定額的電動機(jī)。在西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育選擇電動機(jī)時，應(yīng)把它的過載能力考慮在內(nèi)。如果選用異步電動機(jī)，其額定功率應(yīng)滿足以下條件P

N

≥Pm

/

0.75λ(4.19)式中

PN

——電動機(jī)的額定功率(

kW

)。Pm——短時工作的最大負(fù)載功率(kW)。λ——電動機(jī)的轉(zhuǎn)距過載倍數(shù)。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（4）斷續(xù)周期工作制的電動機(jī)的功率計算斷續(xù)工作制的周期規(guī)定不超過10

min，其中包括電動機(jī)的起動、運(yùn)行、制動、停止等幾個階段。普通的電動機(jī)一般難以勝任如此頻繁的操作，必須選擇一類專用于此項工作的電動機(jī)。斷續(xù)工作制的電動機(jī)以負(fù)載持續(xù)率(FC

%)來標(biāo)定它的額定功率，其值分15%、25%、40%和60%四種。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育同一個電動機(jī)在不同的FC

值下工作，其額定功率是不同的，F(xiàn)C

值越小，則額定功率越大。該類電動機(jī)的特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度很高，起動和過載能力很強(qiáng)，適應(yīng)于頻繁工作的運(yùn)行，但它的機(jī)械特性較軟，效率稍低。斷續(xù)周期工作制的電動機(jī)功率計算，可按運(yùn)行期間的負(fù)載計算出所需的功率，其方法如同西然后在產(chǎn)品樣本上按實際FC值找到所需的電動機(jī)型號。如果實際FC值與電動機(jī)規(guī)定的FC值相差較大，則需將實際FC值下的計算功率折算到標(biāo)準(zhǔn)FC值下的功率，其計算公式為(4.20)南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中FCλ

—實際負(fù)載持續(xù)率(%)；FC—與接近的標(biāo)準(zhǔn)值（%）；P

—實際負(fù)載功率(kW)。PN

—按標(biāo)準(zhǔn)值的負(fù)載修正功率(kW)。在產(chǎn)品樣本中按被選的標(biāo)準(zhǔn)FC

值和PN(修正功率)便可選取合適的電動機(jī)型號。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.2.2

電動機(jī)的調(diào)速方式4.2.2.1

交流電動機(jī)的調(diào)速交流電動機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價格低，其中的籠型異步電動機(jī)僅為同功率直流電動機(jī)價格的1/3左右，而且能適應(yīng)較差的工作環(huán)境，維護(hù)工作量又小，所以該類電動機(jī)得到廣泛應(yīng)用。交流電動機(jī)的調(diào)速性能不如直流電動機(jī)，直至近年西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育徹底改變了交流調(diào)速難的問題。交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率。磁極對數(shù)以及轉(zhuǎn)差率有關(guān)，其表達(dá)式為:式中f1

——電源頻率p

——極對數(shù)；S

——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率。所以，只要設(shè)法改變

f1、p、s

等參數(shù)，便可實現(xiàn)調(diào)速。(4.21)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育較常用的有以下幾種：（1）變極調(diào)速利用YD系列籠型異步電動機(jī)的繞組接線方式變換，便可改變該電動機(jī)的極對數(shù)，實現(xiàn)階躍式的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其調(diào)速范圍限定在2~4級。（2）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速該調(diào)速裝置由籠型異步電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)差離西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育的異步電動機(jī)作為驅(qū)動裝置的原動力，通過電磁轉(zhuǎn)差離合器將轉(zhuǎn)矩傳遞至它的輸出軸。調(diào)節(jié)該離合器的勵磁電流，便可改變離合器輸入軸與輸出軸之間的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。在開環(huán)情況下，離合器輸出軸的機(jī)械特性很軟，不好直接應(yīng)用，所以利用測速發(fā)電機(jī)的速西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育消耗于離合器，以至效率很低，不宜長期運(yùn)行。（3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速在繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中串接電阻，便可改變電動機(jī)的機(jī)械特性，并隨電阻值的增大而變軟。如果負(fù)載為恒定值，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨機(jī)械特性的改變而變化。因調(diào)速運(yùn)行過程中將有電能消耗于外接的電阻器中，所以也不西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（4）串級調(diào)速串級調(diào)速原理是在繞線異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中引入一個與轉(zhuǎn)子電動勢的頻率相同，相位相同或相反的附加電動勢，在外加電動勢與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的共同作用下實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。串級調(diào)速屬轉(zhuǎn)差功率反饋型調(diào)速系統(tǒng)，它能將調(diào)速運(yùn)行時的大部分轉(zhuǎn)差功率回饋加以利用，西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育較廣泛的調(diào)速系統(tǒng)之一。

5）變頻調(diào)速它是近幾年發(fā)展最快的交流調(diào)速方式，可對普通的籠型異步電動機(jī)實現(xiàn)寬范圍的無級調(diào)速，具有機(jī)械特性硬，調(diào)速精度高，起動電流小及效率高等特點(diǎn)。有關(guān)變頻調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品介紹將在后面提及。交流電動機(jī)的調(diào)速方式還可以通過改變定電壓來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，但機(jī)械特性變軟，調(diào)速范圍較小。做閉環(huán)控制時，可改善低速運(yùn)行的特性，調(diào)速范圍較寬。綜述各種交流調(diào)速，其性能比較如表4.4所示。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育表4.4西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育各種交流調(diào)速性能比較方式特點(diǎn)變極調(diào)速滑差調(diào)速串電阻調(diào)速串級調(diào)速變頻調(diào)速控制轉(zhuǎn)移由電由調(diào)速電整流、由微處裝置開關(guān)子線電阻、逆變、理器、或接路和接觸器逆變變接口電觸器晶閘及主令壓器等路、大控制管組控制器環(huán)節(jié)組功率晶電路成的組成的成的體管組閉環(huán)控制裝SCR串成的西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育調(diào)速范圍固定

2~4級約10：1最多8級大于10：1大于50：1調(diào)速平滑性很差好差好好速度穩(wěn)定性好一般低速較差好很好起動轉(zhuǎn)矩較大一般自行可調(diào)整稍小起動方式直接硬起動電動機(jī)為硬起分級起動平滑起動平滑軟起動4.2.2.2

直流電動機(jī)的調(diào)速直流電動機(jī)的特點(diǎn)是調(diào)速性能好，控制也較方便，容易組成高精度的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程式為(4.22)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育U

——電樞電壓；R

——電樞回路電阻；T

——電動機(jī)轉(zhuǎn)矩；Φ

——磁通；Ce

Cm——分別為電動勢常數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)。從式中看出。只需改變U、R、Φ等參數(shù)，便可實現(xiàn)多種方式的速度調(diào)節(jié)。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(1)電樞串電阻調(diào)速電樞回路串接電阻后，電動機(jī)的機(jī)械特性的斜率隨電阻的改變而改變，在恒負(fù)載下轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。該調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是控制裝置很簡單；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速受負(fù)載的影響較大，在空載時幾乎沒有調(diào)速作用，而在重載低速運(yùn)行時特性顯得太軟，且功耗很大。它的應(yīng)用范圍一般局限于斷續(xù)運(yùn)行的西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(2)改變電樞電壓調(diào)速當(dāng)電動機(jī)采用他勵方式，其機(jī)械特性隨電樞電壓的改變產(chǎn)生平移，所以它的調(diào)速范圍較廣。電樞電壓的調(diào)節(jié)常用晶閥管裝置實現(xiàn)，但低速運(yùn)行時功率因數(shù)變低，而且在交流側(cè)出現(xiàn)較多的諧波成分，對電網(wǎng)不利。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(3)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)其原理是將直流控制信號與三角波經(jīng)調(diào)制電路產(chǎn)生一系列脈寬不等的脈信號，作功率放大后驅(qū)動大功率器件。控制調(diào)制方波的占空比，便可改變輸出平均電壓。將輸出電壓接至直流電動機(jī)的電樞兩端，便可組成性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣、效率高、西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育較復(fù)雜，造價也相應(yīng)提高。

(4)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)的反饋量電流和轉(zhuǎn)速信號，分別送入電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器按P

-I(比例—積分)方式實現(xiàn)調(diào)節(jié)。由電流調(diào)節(jié)器組成的閉環(huán)稱為電流環(huán)。由速度調(diào)節(jié)器組成的閉環(huán)稱為轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)用于控制電流，轉(zhuǎn)速環(huán)用于控制轉(zhuǎn)

速。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能均很好，西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育抗擾動能力也很強(qiáng)。(5)數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)目前先進(jìn)的直流調(diào)速系統(tǒng)均采用數(shù)字控制，從積分調(diào)節(jié)器到觸發(fā)裝置，以及其他控制功能均由微處理器實現(xiàn)。它具有調(diào)速性能高；工作可靠和體積小等特點(diǎn)。數(shù)控裝置設(shè)有鍵盤和LED顯示器，可方便地用鍵盤進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。此外，還西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(6)改變勵磁的恒功率調(diào)速從直流電動機(jī)的機(jī)械特性的公式可看出，當(dāng)磁通減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之升高。它還可以高于額定轉(zhuǎn)速范圍的調(diào)速，但因轉(zhuǎn)速的升高，導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)矩作相應(yīng)比例的下降，所以屬于恒功率調(diào)速西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3

伺服執(zhí)行元件4.3.1

步進(jìn)電機(jī)4.3.1.1

概述步進(jìn)電機(jī)的功能是將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移，其角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。每一個脈沖所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角是一個固定值，通西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育步進(jìn)電機(jī)有幾種類型，按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可為反應(yīng)式、永磁式和混合式，其中反應(yīng)式應(yīng)用最廣。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子上每一對凸極均套有控制繞組，組成一相的磁極。步進(jìn)電機(jī)的定子相數(shù)一般為2~6，例如三相步進(jìn)電機(jī)的定子共有3對磁極或6個凸極。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為帶齒的鐵心，當(dāng)定子各相繞組依次通電西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育步前進(jìn)。步進(jìn)電機(jī)的步距角與控制繞組的相數(shù)及轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)相關(guān)，其對應(yīng)關(guān)系為：β

＝360O/m1Zr式中：β

——步距角m

1

——定子繞組相數(shù)Zr——轉(zhuǎn)子齒數(shù)例如：三相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子數(shù)為40，則該電機(jī)的步距角為3°。(4.23)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.1.2

步進(jìn)電機(jī)的工作方式三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有下列幾種：（1）三相單三拍 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源依次對步進(jìn)電機(jī)的3相繞組（A相、B相、C相）輪流供電，其順序為A-

B-

C-

A步進(jìn)電機(jī)的供電狀態(tài)每作一次變化稱為一拍，需要三拍完成一次循環(huán)，所以稱為三拍工作方式，其特點(diǎn)是每拍使電機(jī)前進(jìn)一個步進(jìn)角，因為每拍僅使1相繞組通電，西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育所以稱為單三拍工作方式，步進(jìn)運(yùn)行方式的變換很方便，只需要將每拍的供電狀態(tài)次序倒過來即可。由于三相單三拍工作方式在運(yùn)行中出現(xiàn)振動，穩(wěn)定性較差，所以一般很少采用。（2）三相六拍 該工作方式需要六拍完成一次循環(huán)。常見的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA·

·

·其特點(diǎn)為每隔一拍有西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育方式的一半。三相六拍工作方式的運(yùn)行性能很穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩也較大，所以常被采用。（3）三相雙三拍 它的供電順序為:AB-BC-CA-AB

·

·

·其特點(diǎn)為每拍均有相鄰的兩相同時通電，所以運(yùn)行比較平穩(wěn)，其步距角與單三拍方式相同。四相或五相步進(jìn)電機(jī)的作方式與三相類似，如五相十拍的供電順序可以為:按3相4相交替進(jìn)行，逐相推進(jìn)。4.3.1.3

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)(1)步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖成正比，即:西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育θ＝Nβ(4.24)式中:β

---步距角N

---脈沖數(shù)(2)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，即:西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育n

=β×60f/360

=

βf/6(4.25)式中n

---步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速r/min；β

---步距角(度)；f

---輸入脈沖頻率(Hz)。步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力，這對于位置控制顯得很重要。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度不受電源或負(fù)載波動的影響。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源直接關(guān)系到運(yùn)行性能的優(yōu)劣，所以一般都比較復(fù)雜，在價格上高出普通電機(jī)許多倍。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.1.4

步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)

(1)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tm當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于通電的靜止?fàn)顟B(tài)時，由外力使轉(zhuǎn)子離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)矩稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它反映了步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力和工作的快速性。步進(jìn)電機(jī)可驅(qū)動的負(fù)載矩應(yīng)比最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩小得多，一般為:西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(2)起動轉(zhuǎn)矩Ts步進(jìn)電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩密切相關(guān)。(3)靜態(tài)步距角誤差當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為空載狀態(tài)輸入一個單脈沖時，實際步距角與理論步距角之差稱為步距角誤差。此誤差越小，則表示精度越高。按制作規(guī)定，當(dāng)電機(jī)的步距角為1.50~7.50時，其允許的靜態(tài)步距角誤差為該電機(jī)步距角的25%。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(4)起動頻率起動頻率是指步進(jìn)電機(jī)在不失步條件下可施加的最高突跳脈沖頻率，它是衡量步進(jìn)電機(jī)性能的一項重要指標(biāo)。起動頻率比連續(xù)運(yùn)行頻率低得多，因為在電機(jī)起動過程中，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩除克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服轉(zhuǎn)動部分的慣性轉(zhuǎn)矩。廠家西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育當(dāng)電機(jī)接上負(fù)載后，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量的增加，其實際最高起動頻率將顯著下降。(5)

運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)在一定的負(fù)載下升頻加速到不失步的最高連續(xù)運(yùn)行頻率稱為最高運(yùn)行頻率。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，運(yùn)行頻率將隨之下降。限制步進(jìn)運(yùn)行頻率的主要因素為控制繞組的西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育內(nèi)的電流將不能升到穩(wěn)定值，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將隨之減小。由此可見，運(yùn)行頻率的高低與步進(jìn)驅(qū)動電源的供電方式關(guān)系密切。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的供電方式大致分為低電壓單電源驅(qū)動、高低電壓雙電源驅(qū)動、高電壓恒流驅(qū)動和高電壓PWM

驅(qū)動四種類型。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.1.5

步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品介紹

(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)為步距小。運(yùn)行頻率高。具有通電自鎖能力，但功耗大。

(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的定子由軟磁材料制成，具有多個控制繞組，轉(zhuǎn)子材料為永久磁鋼，組成一定對數(shù)的磁極。當(dāng)定子繞組按步進(jìn)節(jié)拍通電時，定子繞組西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育生的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。永磁式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)為：功耗較小，在斷電的情況下仍有定位轉(zhuǎn)矩，但步距角一般較大，需供給正負(fù)脈沖電源，起動和運(yùn)行頻率也較低。該類電機(jī)的轉(zhuǎn)矩均較小，常用于自動化儀表作為執(zhí)行元件。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(3)混和式步進(jìn)電機(jī)混和式步進(jìn)電機(jī)也稱為永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，它充分利用了反應(yīng)式和永磁式兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有轉(zhuǎn)矩大，步距小。運(yùn)行頻率高。功耗低及自鎖功能等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格也較高。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.1.6

高精度步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)日本某公司近期推出的步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)帶有微處理器，并可做步進(jìn)細(xì)分的先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品。其步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：步進(jìn)細(xì)分功能，最大可實現(xiàn)400細(xì)分，使低速運(yùn)行十分平穩(wěn)。定位精度高，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.80，經(jīng)400細(xì)分后，其定位分辨力可以達(dá)0.00450。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(3)配用的電機(jī)為2相或5相混和式步進(jìn)電機(jī)，采用正負(fù)脈沖電源供電。3相電機(jī)的步距角為1.80，5相電機(jī)的步距角有0.720和0.360兩種。該系列步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為12N

·m

。(4)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有整步、半步、微步三種，供用戶任意選擇。2相驅(qū)動的最高輸出頻率無細(xì)分型為7kHz，細(xì)分型可達(dá)500kHz西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育（5）步進(jìn)驅(qū)動電源設(shè)有110kHz開關(guān)斬波電路，所以功耗很低，使驅(qū)動器體積做得很小。（6）具有CNC控制功能，能實現(xiàn)閉環(huán)定位控制，可與計算機(jī)進(jìn)行串行通信。該公司的步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)屬新一代的步進(jìn)控制裝置，可用于高精度的數(shù)控系統(tǒng)，但價格貴。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.2

直流伺服電機(jī)4.3.2.1

直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)直流伺服電機(jī)常用于數(shù)控系統(tǒng)作為伺服機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件。為滿足高精度控制要求，需具備以下的特點(diǎn)：具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服轉(zhuǎn)動裝置的摩擦阻力和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育度平穩(wěn)。(3)具有快速響應(yīng)能力，適應(yīng)復(fù)雜的速度變化。

(4)電機(jī)的負(fù)載特性要硬，要有較大的過載能

力，以確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。數(shù)控系統(tǒng)中常用的直流伺服電機(jī)為寬調(diào)速電機(jī)，又稱大慣量電機(jī)，其特點(diǎn)是可直接驅(qū)動滾珠絲杠，減小了其他機(jī)械傳動帶來的精度損失和誤差。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育大慣量直流伺服電機(jī)的勵磁方式為永磁式，采用鋁鎳鈷或稀土類高性能磁性材料，以產(chǎn)生強(qiáng)磁場，提高輸出轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的工作原理與他勵式直流電動機(jī)相同，因常用于閉環(huán)控制，在輸出軸上允許配裝各類測速傳感器和測速發(fā)電機(jī)。為實現(xiàn)定為控制所需的鎖定功能，在輸出軸上可配裝西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育為電機(jī)配套的高性能伺服驅(qū)動裝置均采用調(diào)速方式，其開關(guān)頻率在左右，以獲得大調(diào)速范圍的平穩(wěn)運(yùn)行特性。在伺服驅(qū)動單元中常具備閉環(huán)速度控制、閉環(huán)位置控制、四象限運(yùn)行等功能，而且保護(hù)功能齊全，可與計算機(jī)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通訊。4.3.2.2

直流伺服產(chǎn)品介紹高性能的直流伺服電機(jī)及配套的驅(qū)動器大多西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育以供參考。（1)日本W(wǎng)ACO公司的RS系列直流伺服電機(jī)

RS系列直流伺服電機(jī)屬于小功率電機(jī)，其輸出功率范圍為25~500W，額定速度為:2500~3000r/min可選用各類速度傳感器和制動器。

RS系列電機(jī)配用WACO公司的TSE系列速度伺服驅(qū)動單元后，可獲得1000：1的調(diào)速范圍。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(2)美國A-B公司的1326DS系列直流伺服電機(jī)

1326DS系列電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為0.35~4.63N·m，可選配1000線編碼器和24V直流制動器。A-B公司將大轉(zhuǎn)矩直流伺服電機(jī)也歸入了

1326DS系列，其轉(zhuǎn)矩范圍為3.3~37.8N·m，轉(zhuǎn)速范圍為1200~3600r/min，配用1388系列伺服驅(qū)動單元。(3)北京機(jī)床所引進(jìn)生產(chǎn)的直流伺服電機(jī)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.2.3直流伺服電機(jī)的選擇伺服電機(jī)的選擇主要考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動慣量和熱時間常數(shù)等技術(shù)指標(biāo)，其選擇原則如下：(1)對于連續(xù)工作的伺服系統(tǒng)，選用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，但對于斷續(xù)工作的伺服系統(tǒng)(指10min內(nèi)的負(fù)載持續(xù)率為

25%~40%)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(2)所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速由負(fù)載所需的最高速經(jīng)傳動比換算后得到。熱時間常數(shù)大的電機(jī)，可在自然冷卻條件下超載工作時間較長。如果伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)動部件折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量小于電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量，可獲得較好的伺服性能。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.3

交流伺服電機(jī)用于數(shù)控系統(tǒng)的交流伺服電機(jī)有兩類，—類為磁式交流同步式電機(jī)，另一類為籠型異步電機(jī)。交流伺服電機(jī)比直流伺服電機(jī)有更多的優(yōu)越性，例如它不存在電刷磨損問題，輸出轉(zhuǎn)矩較高，體積也較小，所以它是數(shù)控系統(tǒng)中較西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.3.1

永磁式交流同步伺服電機(jī)該類電機(jī)的定子裝有三相繞組，轉(zhuǎn)子為一定極對數(shù)的永久磁鐵，在電機(jī)輸出軸上裝有檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的無刷反饋裝置。電機(jī)的三相交流電源由PWM

變頻器供給，在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變頻調(diào)速。為使變頻電源與電網(wǎng)隔離，可采用隔離式適配變壓器。交流伺服驅(qū)動的工作原理為，將數(shù)控脈沖西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育號通過三相正弦波發(fā)生器變換為三相正弦波電壓，再利用由晶體管組成的PWM電路，轉(zhuǎn)換為三相正弦PWM

電壓，并送至電機(jī)的定子繞組，用以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，吸引轉(zhuǎn)子上的磁鐵，使轉(zhuǎn)子作同步旋轉(zhuǎn)。因為旋轉(zhuǎn)磁場的速度與輸入的脈沖信號頻率成正比，所以只需改變脈沖信號的頻率便西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育機(jī)便有一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，所以它也可以用于位置控制，而且比步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性好。永磁式同步電機(jī)伺服系統(tǒng)具體以下的特點(diǎn)：

(1)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化的影響，穩(wěn)定性極高。(2)調(diào)速范圍極廣，可達(dá)100000：1或更高。

(3)在整個調(diào)速范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和過載能力不變。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(4)可作步進(jìn)方式運(yùn)行，而且步距角可自由擇。

I

FT5系列為中小轉(zhuǎn)矩永磁式交流伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩范圍為0.15~185N?m

，轉(zhuǎn)速范圍為:

1200~6000r/min。為適應(yīng)不同的安裝條件，電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型。4.3.3.2

籠型交流異步伺服電機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的電機(jī)基本西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育相同，但在它的軸端裝有編碼器，還可以配選制動器。該類電機(jī)的速度調(diào)節(jié)由矢量控制和PWM變頻技術(shù)實現(xiàn)。所以具有調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩脈動小、低速運(yùn)行平穩(wěn)和噪聲低等特點(diǎn)。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、響應(yīng)速度快和運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，調(diào)速比可達(dá)10000：1，適宜于機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動和其他伺服裝置。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育電液伺服元件電液伺服的特點(diǎn)液壓系統(tǒng)的電控閥類有開關(guān)控制閥、電液伺服閥和電液比例閥三種。開關(guān)控制閥僅具有開關(guān)或切換油路的功能，最常見的是電磁換向閥。電液伺服閥是將微弱的電信號輸入轉(zhuǎn)換成大功率的液壓量輸出。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育電液比例閥介于上述兩種控制閥之間，它將輸入的電氣信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械輸出信號以對油流的壓力、流量或方向進(jìn)行連續(xù)地成比例控制，它在結(jié)構(gòu)上同開關(guān)控制閥類似，在控制方式上則同電液伺服閥相似。電液伺服閥具有快速的響應(yīng)速度和很高的控西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育工點(diǎn)，因此用于響應(yīng)速度和控制精度要求不很高的電液開環(huán)控制，以及閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中較為合適。電液數(shù)字控制閥用于數(shù)字信息直接控制閥工作，數(shù)字閥可直接與計算機(jī)接口，不需D/A轉(zhuǎn)換器，與伺服閥和比例閥比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、價格低、抗污染能力強(qiáng)、重復(fù)性好、西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.3.4.2電液伺服閥及分類

(1)概述電液伺服閥是一種接受電氣模擬信號后，輸出相應(yīng)的調(diào)制流量和壓力的液壓控制閥。按輸出液壓信號的不同，電液伺服閥可以分為電液流量伺服閥和電液壓力伺服閥。電液伺服閥廣泛應(yīng)用于電液位置、速度、加西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育與電液比例閥相比較，電液伺服閥具有快速的動態(tài)響應(yīng)和良好的靜態(tài)特性，如分辨率高、滯環(huán)小、線性度好等。它是一種高性能、高精度的電液控制部件，但它較敏感，要正確使用，否則將影響系統(tǒng)的工作可靠性和壽命。電液伺服閥由力矩馬達(dá)或力馬達(dá)、液壓控制西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育(2)

電液流量伺服閥該類閥可按液壓控制的級數(shù)來分類，亦可按力矩馬達(dá)或力馬達(dá)分類，也可按前置液壓控制閥的形式或按功率級的反饋形式來分類。(3)

電液壓力伺服閥常見壓力伺服閥均為雙噴嘴擋板式，是帶負(fù)載壓力反饋的單級或雙級伺服閥。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.4

定位機(jī)構(gòu)4.4.1概述外部設(shè)備的定位運(yùn)動，主要是指驅(qū)動物體到達(dá)并按規(guī)定的精度停止在預(yù)定位置。定位運(yùn)動屬增量運(yùn)動系統(tǒng)，此種系統(tǒng)一般要求以各種頻率反復(fù)啟停一個負(fù)載。啟停頻率可以是固定的，也可以是可編程的隨機(jī)啟停頻率。外設(shè)中磁盤存貯西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育筆架送進(jìn)系統(tǒng)等，都是這種形態(tài)的定位運(yùn)動。4.4.1.1

定位運(yùn)動機(jī)構(gòu)的組成及其應(yīng)用

定位運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般由動力源、傳動控制系統(tǒng)及被定位件組成。其中傳動件、控制電機(jī)、傳感器、控制電路（包括計算機(jī)）構(gòu)成的機(jī)電控制系統(tǒng)，易于生成較為理想的驅(qū)動輸入曲線，是機(jī)電一體化定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。傳動部件分為剛性構(gòu)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育會使機(jī)構(gòu)變大，存在噪聲、間隙、摩擦等問題。撓性傳動件定位時，由于被定位物體的質(zhì)量與傳動系統(tǒng)的彈性構(gòu)成了振動系統(tǒng)，因此存在著使定位控制復(fù)雜化等問題。被定位件可分為集中質(zhì)量系和分布質(zhì)量系。嚴(yán)格地講，拖板頭架（印字頭架、繪圖筆架、磁頭臂等）并非集中質(zhì)量系，但當(dāng)傳動件為彈性體西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育此時可將這些被定位件看作集中質(zhì)量系。定位運(yùn)動機(jī)構(gòu)在外部設(shè)備中的實際應(yīng)用，由凸輪、傳動帶、齒輪、彈簧離合器等傳動件構(gòu)成的純機(jī)械式傳動控制機(jī)構(gòu)逐漸被電子裝置取代，發(fā)展為機(jī)電一體化的機(jī)電驅(qū)動控制系統(tǒng)。進(jìn)一步發(fā)展為直接驅(qū)動方式，即傳動控制機(jī)械與電合為一體。4.4.1.2

定位運(yùn)動機(jī)構(gòu)的性能評價以定位精度為指標(biāo)來評價外部設(shè)備的定位機(jī)構(gòu)，結(jié)果如圖4.15所示。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育若同時以定位精度和定位時間評價定位機(jī)構(gòu)，大致有

圖4.16所示結(jié)果。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.4.1.3

精密定位的動力學(xué)問題定位系統(tǒng)分開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。由凸輪、連桿機(jī)構(gòu)或壓電元件等組成的開環(huán)定位系統(tǒng)，其定位運(yùn)動是預(yù)先設(shè)定的，單純且固定，它的定位理論比較系統(tǒng)、完整和成熟。閉環(huán)控制系統(tǒng)是由位置傳感器和執(zhí)行元件構(gòu)成的反饋控制系統(tǒng)，其定位運(yùn)動可通過指令來改變，具有柔性，精密定位裝置大多屬該類，在其傳動機(jī)構(gòu)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育即使有誤差，也不直接影響定位精度，但是它要求系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的剛性要高，反饋增益要大，否則會使定位時間變長。另外，由于摩擦和側(cè)隙的存在，將會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)要求快速定位時，必須考慮慣性力和振動的影響，即所謂動力學(xué)問題。特別是振動，它是西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教圖4.17定位誤差與定位時間的關(guān)系育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育設(shè)運(yùn)動物體由粗定位運(yùn)動進(jìn)入精密定位控制它表示定位件從靜止開始運(yùn)動到tf0時與目標(biāo)位置的誤差為C0，然后進(jìn)入精密定位運(yùn)動。據(jù)上式，若不考慮tf0

，可知定位時間與定位精度Cf

的對數(shù)成反比。后的振動小于的包絡(luò)線，則有下式成立:(4.26)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育所以，要實現(xiàn)高速高精度定位，無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都要求提高系統(tǒng)的固有振動頻率。一般來說，系統(tǒng)的剛度越高，越易于提高其定位精度和定位速度。4.4.1.4

閉環(huán)定位控制

(1)有振動負(fù)載的伺服電機(jī)系統(tǒng)打印機(jī)的字車定位控制和磁盤機(jī)的磁頭定位西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育向目標(biāo)位置高速移動的存取控制和使受控物保持在目標(biāo)位置上的位置控制。這種形態(tài)的控制，其存取控制結(jié)束時的殘余振動要通過位置控制調(diào)定，所以要實現(xiàn)高速定位，重要的是確立殘余振動小的高速存取控制方法。為實現(xiàn)高速定位控制，必須考慮負(fù)載系統(tǒng)的振動特性。以單自由度振動系統(tǒng)為負(fù)載的伺服西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育經(jīng)過實驗和分析可知，定位時間t1與系統(tǒng)的固有振動周期的比值λ＝t1/t0對輸入能量及控制特性起支配用。當(dāng)λ接近1時，可以實現(xiàn)高速定位。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.4.2直接傳動驅(qū)動定位定位運(yùn)動機(jī)構(gòu)最簡單、最理想的形式是直接驅(qū)動，即從動件不經(jīng)過中間傳動體，直接與驅(qū)動源相結(jié)合。實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的直接轉(zhuǎn)動驅(qū)動的實例有串行打印機(jī)的選字定位機(jī)構(gòu)。4.4.2.1

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動對菊花瓣型打印機(jī)字頭的選字定位機(jī)構(gòu)，其西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育活字字符排列在選擇指外端，印字輪直接與每轉(zhuǎn)120步的步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接。步進(jìn)電機(jī)按選字指令，以1~60的任意步數(shù)正、反向回轉(zhuǎn)選擇120個字符中的任意一個，并把所要的字符轉(zhuǎn)到字錘位置，以±0.1mm

的精度定位，同時利用附加摩擦機(jī)構(gòu)，抑制印字頭的殘余振動。驅(qū)動回路采用定電流開關(guān)方式，驅(qū)動曲線為正弦曲線，勵磁方式為2相勵磁，電壓20~~30V，西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育用0.2A/相的小電流驅(qū)動。為消除附加摩擦機(jī)構(gòu)摩擦力引起的定位誤差，在轉(zhuǎn)子接近止點(diǎn)時，迭加一強(qiáng)電流脈沖（0.8/相，通電13.6ms），提高步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，進(jìn)行定位修正。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.4.2.2

伺服電機(jī)驅(qū)動菊花瓣型印字頭改用伺服電機(jī)驅(qū)動，活字的位置精度（±0.1mm

以下）主要由伺服系統(tǒng)保證，為此多采用定位精度高的增量伺服系統(tǒng)，如圖4.20所示。增量伺服系統(tǒng)采用雙模式控制方式，它包括到達(dá)定位點(diǎn)前的高速移動中的速度控制和在定位點(diǎn)附近的精密位置控制。圖中，數(shù)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)離基準(zhǔn)位置的信息。當(dāng)打印機(jī)得到印字指令時，便把文字信息變換成電機(jī)的回轉(zhuǎn)位置信息，計算出電機(jī)應(yīng)回轉(zhuǎn)的角度和方向，把這些信息作為指令交由伺服系統(tǒng)的偏差計數(shù)器記存。電機(jī)按移動指令回轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一定的角度，脈沖電路便產(chǎn)生一個脈沖，偏差計數(shù)器自動減1，所以西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教圖4.20增量伺服系統(tǒng)框圖育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育外干擾時，其效果與電流開關(guān)控制是等價的，速度指令發(fā)生電路產(chǎn)生一個與偏差計數(shù)器輸出值的平方根成比例的電壓作為速度指令。電路中的非線性D/A變換器，通常是由不需要調(diào)整且通用的ROM和線性D/A變換器組成。使用這樣的速度指令，并且對加速時的電流進(jìn)行箝位，當(dāng)無西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育為計數(shù)器的輸出為零，它意味著已把對電機(jī)的控制（即速度控制）轉(zhuǎn)換成了位置控制。位置控制是根據(jù)電機(jī)的回轉(zhuǎn)角及其微分值的反饋量組成的比例微分控制，通過電磁制動器實現(xiàn)的。位置檢測器使用輸出穩(wěn)定，而且分辨率和機(jī)構(gòu)構(gòu)成都適用于打印機(jī)的磁編碼器，其分度數(shù)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育后，作為速度反饋用的。4.4.3

直線運(yùn)動直接驅(qū)動定位通常動力源從動件之間多通過鋼絲繩、傳動帶、齒輪、齒條等與傳動件實現(xiàn)直線運(yùn)動。若用直線電機(jī)直接驅(qū)動，可以排除傳動零件的偏斜、松動、非線性伸長（縮短）等，容易實現(xiàn)高速、高精度。例如，直線電機(jī)驅(qū)動的打印機(jī)頭架送進(jìn)機(jī)構(gòu)和X—Y繪圖機(jī)的筆上下驅(qū)動機(jī)構(gòu)。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.4.3.1

直線電機(jī)直接驅(qū)動圖4.21所示的打印機(jī)頭架送進(jìn)機(jī)構(gòu)是由直線電機(jī)直接驅(qū)動的。直線電機(jī)為可變勵磁型，其可動部分為永久磁鐵，固定部分為排成兩排的電樞。采用與直流伺服電機(jī)一樣的控制方式。頭架上裝有選字伺服電機(jī)、活字和字錘結(jié)構(gòu)，由兩條導(dǎo)軌支承引導(dǎo)。為了實現(xiàn)打印高速化，應(yīng)盡西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育可動部分重心重合。4.4.3.2

動圈式直接驅(qū)動動圈式驅(qū)動的原理和揚(yáng)聲器中的音圈一樣，即在均勻磁場中的線圈有電流流過時，便產(chǎn)生與磁場和電流都垂直的力。動圈式直接驅(qū)動機(jī)構(gòu)有廣泛的用途，這里主要敘述X—Y

繪圖機(jī)在寫字符或畫虛線時，筆的上下動作機(jī)構(gòu)所完成的直接西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育對繪圖筆的要求是：上下動作迅速，到達(dá)紙面時無振動、無噪聲、穩(wěn)定的施加一定筆壓。動圈式筆架有平線圈型、E

字鐵芯型及音圈型等幾種，其中體積、效率(驅(qū)動力/體積)最好的是平線圈型。對平線圈型筆架，其優(yōu)點(diǎn)是線圈制造簡單，容易磁化，與筆桿聯(lián)接方便，可動部分重量輕，筆間距小于15mm

。對于動圈式筆架，可以通過控制線圈電流來控制力的大小和方向。所以，對可動部分的速度控制、筆

與紙面的軟接觸控制，以及

寫字畫圖時的筆壓控制，都

是通過驅(qū)動電流來實現(xiàn)的。

筆驅(qū)動機(jī)構(gòu)的模擬如圖4.23所示。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育筆上下運(yùn)動時，由滾動軸承引導(dǎo)，并承受彈簧預(yù)壓力。設(shè)筆驅(qū)動力，采取最短時間驅(qū)動控制，略去摩擦阻力，其運(yùn)動方程式為:西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科式中m

---可動部分的質(zhì)量kgk

---筆支承部分的彈簧常數(shù)(N/mm)B

---磁極的平均磁通密度(Wb/m2)(4.28)(4.29)技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育l

---與磁通交鏈的導(dǎo)線長度 (

m

)i(t)

---驅(qū)動電流 (

A

)L

---動圈的電感 (

Mh

)R

---動圈的電阻

(Ω)E

---動圈的電動勢 (

V

)x

---筆的上下位移，其最大行程為a西南建立最短時間控制的評價函數(shù)(J

)(4.30)代入初值條件和實現(xiàn)軟接觸的邊界條件，可求得筆動作時間，進(jìn)而可以建立動作時間最短且線圈功耗最小條件下的評價(函4.3數(shù)1)

:科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育同樣，代入初值條件和邊界條件，可求得動作時間。4.4.4

剛性傳動定位機(jī)構(gòu)定位運(yùn)動機(jī)構(gòu)的剛度不是一個單純的絕對量，例如，利用絲杠高速驅(qū)動重物可以看作是擾性傳動系統(tǒng)；反之，用鋼帶低速驅(qū)動輕物體，可以看作是剛性傳動系統(tǒng)。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.4.4.1

絲杠傳動機(jī)構(gòu)圖4.24為用于2定位的絲杠傳動機(jī)構(gòu)，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動軸上加工有螺紋槽，只要使裝在小車上的滾針和加壓彈簧與絲杠上的槽相嚙合就裝配好了，結(jié)構(gòu)簡單，在厚度小于32mm

的軟盤驅(qū)動器中多采用絲杠方式，因為它與鋼帶傳動方式西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教圖4.242定位的絲杠傳動機(jī)構(gòu)育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育圖4.25（a）所示，絲杠傳動時，隨著電機(jī)的回轉(zhuǎn)磁頭小車直線前進(jìn)，轉(zhuǎn)角與直線距離保持線性關(guān)系。電機(jī)轉(zhuǎn)過30°，磁頭前進(jìn)一磁道，約

250μm

。定位就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，如圖4.25（b）所示，為使定位過程簡單，絲杠螺線加工成臺階狀，每45°為一段，對應(yīng)一條磁道，因而即使電機(jī)回轉(zhuǎn)誤差較大，也不會偏離磁道。西南科技大學(xué)網(wǎng)圖4.25 轉(zhuǎn)角與直進(jìn)距離的關(guān)系（1）電機(jī)轉(zhuǎn)角定位 （2）絲杠螺線定位絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育圖4.26為微型磁盤驅(qū)動器中使用的定位機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由外螺紋絲杠和內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子組成。內(nèi)外螺紋中使用了自潤滑性樹脂，以提高耐磨性。內(nèi)外螺紋間預(yù)留有適當(dāng)間隙，它使內(nèi)外嚙合力的力矩產(chǎn)生調(diào)心作用，保持絲杠軸線與內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子軸線重合一致。利用有止轉(zhuǎn)作用的球面萬向連軸器，使絲杠直線運(yùn)動而不轉(zhuǎn)動，同時又西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育處的間隙通過螺旋彈簧消除。絲杠傳動定位機(jī)構(gòu)除了應(yīng)用于磁盤機(jī)構(gòu)外，在打印機(jī)的小車傳動方面也有廣泛應(yīng)用。

4.4.4.2齒條——齒輪機(jī)構(gòu)圖4.27為點(diǎn)陣式打印機(jī)的小車定位機(jī)構(gòu)，使用的是齒輪齒條傳動裝置。小車內(nèi)裝有超薄小型電機(jī)，電機(jī)的定子兼做小車框架，以便小型輕量。電機(jī)是扁平的直流無刷電機(jī)，該機(jī)構(gòu)與電機(jī)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育固定的帶傳動、鋼絲繩傳動、絲杠傳動等方式比較，有聲噪低、傳送精度高、容易實現(xiàn)小型化等優(yōu)點(diǎn)。4.4.4.3 端面4凸輪傳動機(jī)構(gòu)圖4.28（a）為1986年上市的超小型軟磁盤機(jī)中采用的磁頭定位機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)外形尺寸約為，重約0.28kg

，該定位機(jī)構(gòu)采用端面槽形凸輪傳動，凸輪機(jī)構(gòu)也是超小型的，它直接與步進(jìn)電機(jī)西南科技圖4.28大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育磁頭存取凸輪機(jī)構(gòu)(a)磁頭定位機(jī)構(gòu)(b)凸輪西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育聯(lián)結(jié)。凸輪回轉(zhuǎn)時，磁頭滑塊上固定的柱銷圖

4.28（b）所示定位槽（旋轉(zhuǎn)槽），在外徑方向做直線運(yùn)動，磁頭從最外圈磁道運(yùn)動到最內(nèi)

圈，然后再回到最外圈。軟磁盤上有16道磁道，道間距約0.53mm

。與之相對應(yīng)，定位槽設(shè)計成

16級臺階狀，以保證不發(fā)生位置偏離。該定位機(jī)構(gòu)的平均存取時間為80ms。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育4.4.5

撓性轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)計算機(jī)外部設(shè)備除了采用凸輪、齒輪、絲杠等鋼性傳動定位機(jī)構(gòu)外，還大量采用鋼帶、鋼絲繩、齒形帶等撓性傳動定位機(jī)構(gòu)。4.4.5.1

鋼帶定位傳動機(jī)構(gòu)滾筒型繪圖機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)完成二個運(yùn)動，一是帶動繪圖紙的滾筒的回轉(zhuǎn)運(yùn)動（X坐標(biāo)）；二是筆架的直線運(yùn)動（Y坐標(biāo)）。其中筆架沿Y西南科技大學(xué)網(wǎng)一絡(luò)教育軸的直線運(yùn)動多采用鋼帶-帶輪傳動機(jī)構(gòu)將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動變換成直線運(yùn)動。該機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是鋼帶剛度高且彈簧常數(shù)固定，鋼帶與滑輪間沒有滑移和間隙，剛帶蠕變小，所以傳動的線性度好，此外，噪聲低，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，對具體機(jī)構(gòu)，在電機(jī)與筆架間為了負(fù)載的慣性平衡，常增加西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育筆架的位移為x，鋼帶的彈簧常數(shù)為k，筆架的質(zhì)量為m，不計摩擦阻力時，筆架的運(yùn)動方程式為又設(shè)鋼帶在傳送距離l

范圍內(nèi)以定加速度啟動、停止，此時筆架殘余振動的最大振幅為A

，可以用下式表示(4.32)西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育式中t1為輸入端的加速時間，即電機(jī)的加速時根據(jù)（4.34）可知，要使筆架在的加速度條件下，殘余振動最大振幅在0.05mm以(4.33)間。將上式用電機(jī)的加速度a

表示(4，.34則)可得到下，要求系統(tǒng)的固有振動頻率ω

0/2π最好在

310Hz以上。西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育表4.5撓性傳動的各種傳動方式西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育表4.5為高速繪圖的各種傳動方式比較。可以看出，鋼絲繩和同步齒形帶的蠕變均比較大，工作不到106

次就必須調(diào)整張力，同步齒形帶的定位誤差也比較大，達(dá)0.002mm。對于鏈傳動方式，要求銷子與鋼帶孔徑的間隙小于20μm，零件加工精度要求高，工作20萬次后，鋼帶孔有龜裂的可能。高摩擦力的傳動方式是在帶輪表面用熱噴西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育工藝把碳化鎢、烙、氧化鋁等物質(zhì)涂覆到帶輪工作表面，使摩擦系數(shù)高達(dá)0.35~0.4，與平（膠）帶的摩擦系數(shù)0.25相比較，約提高了0.5倍，因而在大驅(qū)動力或是高加速度情況下也不容易打滑。西南科技大學(xué)網(wǎng)鋼帶驅(qū)動定位控制系統(tǒng)框圖及其數(shù)學(xué)模型如圖4.29所示。圖4.29鋼帶驅(qū)動控制框圖及簡化數(shù)學(xué)模型（a）驅(qū)動控制框圖 （b）簡化數(shù)學(xué)模型絡(luò)教育西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育