精密仪器设计14第六章2.ppt

1、 了解精密仪器的控制系统的基本概念、了解精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步骤。骤。6.3 闭环伺服控制系统设计步进电机步进电机Zm0360 空载时，步进电机某相通以直流电，转子上：空载时，步进电机某相通以直流电，转子上：输出转矩输出转矩Mj=0，转角，转角=0。如果加负载转矩如果加负载转矩M，转子必转过角度，转子必转过角度，重新稳定下来，此时：，重新稳定下来，此时：Mj（=M）静态转矩，静态转矩，失调角。失调角。某相的某相的Mj与与角的关系曲线，角

2、的关系曲线，称之为转矩称之为转矩失调角特性曲失调角特性曲线线矩角特性曲线。矩角特性曲线。矩角特性曲线矩角特性曲线M60o120o eMA0o-180o180oMBB 相相通电通电时的稳定时的稳定平衡位置平衡位置MABAB同时通同时通电时的稳定电时的稳定平衡位置平衡位置1个齿距对应个齿距对应360电角度电角度最大静态转矩最大静态转矩maxjMmaxjMmaxjMjMqMqfqMqf空载时，步进电机由静止突然起动、进入不空载时，步进电机由静止突然起动、进入不失步的正常运行所允许的最高频率。失步的正常运行所允许的最高频率。如果起动时脉冲频率过高，则失步。如果起动时脉冲频率过高，则失步。qMqfqMq

3、fqMqfmaxjMqfqf步进电机连续运行时，所能接受的（保证步进电机连续运行时，所能接受的（保证不失步运行）最高（极限）频率。它决定步进不失步运行）最高（极限）频率。它决定步进电动机的最高转速。电动机的最高转速。低频低频步进运行步进运行/单步运行单步运行高频高频连续运行连续运行qfdaTT)(qff工作额定电流额定电流 电机不动时每相绕组容许通过的电流定为额定电流。电机不动时每相绕组容许通过的电流定为额定电流。当电机运转时，每相绕组通的是脉冲电流，电流表指示的当电机运转时，每相绕组通的是脉冲电流，电流表指示的读数为脉冲电流平均值，并非为额定电流读数为脉冲电流平均值，并非为额定电流(此值比额

4、定电流此值比额定电流低低)。额定电压额定电压 额定电压是指加在驱动电源各相主回路的直流电压。额定电压是指加在驱动电源各相主回路的直流电压。一般它不等于加在绕组两端的电压。一般它不等于加在绕组两端的电压。当伺服系统的负载不大，精度要求不高时，当伺服系统的负载不大，精度要求不高时，可采用开环控制。一般来说，开环伺服系统的可采用开环控制。一般来说，开环伺服系统的稳定性不成问题，设计时应主要考虑满足精度稳定性不成问题，设计时应主要考虑满足精度方面的要求，并通过合理的结构参数设计，使方面的要求，并通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。系统具有良好的动态响应性能。1、系统方案设计、系统方案

5、设计2、机械系统设计计算、机械系统设计计算3、电子系统设计、电子系统设计（1）系统开环与否的确定）系统开环与否的确定（2）执行元件的选择）执行元件的选择（3）传动机构方案的选择）传动机构方案的选择（4）执行机构方案的选择）执行机构方案的选择（5）控制系统方案的选择）控制系统方案的选择 执行机构是伺服系统的被控对象，是实现实执行机构是伺服系统的被控对象，是实现实际操作的机构。应根据具体操作对象及特点来选择际操作的机构。应根据具体操作对象及特点来选择和设计。一般来讲，执行机构中都包含有和设计。一般来讲，执行机构中都包含有导向机构导向机构，所以执行机构方案的选择主要是导向机构的选择。所以执行机构方案

6、的选择主要是导向机构的选择。包括：执行元件参数及规格的确定，包括：执行元件参数及规格的确定，系统结构的具体设计，系统结构的具体设计，系统惯量、刚度等参数的计算等。系统惯量、刚度等参数的计算等。xixi x执行机构的运动精度。maxfmaxmaxmaxmaxvfviivfmaxmax执行机构的运行的最高速度。maxv1、什么是伺服系统？按控制轨迹，可分为哪几类？说明精密定位工作台，数、什么是伺服系统？按控制轨迹，可分为哪几类？说明精密定位工作台，数字控制绘图仪属于其中哪类？按控制环路，可分为哪几类？字控制绘图仪属于其中哪类？按控制环路，可分为哪几类？2、伺服系统的基本结构包括哪几部分功能模块？举

7、例说明。、伺服系统的基本结构包括哪几部分功能模块？举例说明。3、试分析人对手、脚等进行伺服控制的过程，并进一步分析具有触觉、视觉、试分析人对手、脚等进行伺服控制的过程，并进一步分析具有触觉、视觉或步行机构的智能机器人的伺服控制原理及过程。或步行机构的智能机器人的伺服控制原理及过程。4、伺服系统的基本要求是什么？分析系统的哪些主要参数对其有何种影响？、伺服系统的基本要求是什么？分析系统的哪些主要参数对其有何种影响？5、试从结构、成本、稳定性和精度等方面，分析开环、闭环和半闭环控制的、试从结构、成本、稳定性和精度等方面，分析开环、闭环和半闭环控制的伺服系统的特点及适用场合伺服系统的特点及适用场合.

8、(设计相应的系统时，应注意哪些问题？设计相应的系统时，应注意哪些问题？)6、说明步进电机的工作原理，分析步进式开环伺服系统如何实现对工作台直、说明步进电机的工作原理，分析步进式开环伺服系统如何实现对工作台直线运动的位移、速度、方向、定位的控制。线运动的位移、速度、方向、定位的控制。7、某五相步进电动机，通电方式为、某五相步进电动机，通电方式为AB-ABC-BC-BCD-CD，转子齿数，转子齿数为为36，试计算其步距角。，试计算其步距角。8、说明步进电动机驱动控制线路的组成及功能。、说明步进电动机驱动控制线路的组成及功能。9、采用、采用MCS-51系列单片机控制步进电动机运行速度。已知电动机步距

9、角，系列单片机控制步进电动机运行速度。已知电动机步距角，最高转速，试选择合适的定时器及工作模式，导出定时常数的计算方式，并计最高转速，试选择合适的定时器及工作模式，导出定时常数的计算方式，并计算电动机转速时的定时器的定时常数。算电动机转速时的定时器的定时常数。1、直线式步进电机原理、直线式步进电机原理/磁悬浮列车的运行原理磁悬浮列车的运行原理2、磁悬浮列车运行状态控制：、磁悬浮列车运行状态控制：位移、速度、方向、定位位移、速度、方向、定位3、磁悬浮列车运行控制系统设计、磁悬浮列车运行控制系统设计 原理、系统框图原理、系统框图1、直流、直流/交流伺服电机原理，主要参数交流伺服电机原理，主要参数2

10、、直流、直流/交流（伺服）电机运行状态控制：交流（伺服）电机运行状态控制：转角、速度、方向、定位转角、速度、方向、定位3、直流、直流/交流电机运行控制系统设计交流电机运行控制系统设计实验二实验二 精密工作台控制系统设计精密工作台控制系统设计1、目的及要求、目的及要求 掌握精密仪器控制系统的设计方法，利用单片机掌握精密仪器控制系统的设计方法，利用单片机软、硬件系统通过四相步进电动机实现精密工作台位软、硬件系统通过四相步进电动机实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。的控制。硬件完成控制电路板，包括硬件完成控制电路板，包括

11、CPU、功放、按钮、功放、按钮、LED显示。软件可采用汇编或显示。软件可采用汇编或C实现。实现。2设备设备（1）精密工作台）精密工作台DZH50 P4 04：步进电机步进电机:丝杠螺母副：导程丝杠螺母副：导程4mm。（2）单片机开发系统。）单片机开发系统。步进电机指标步进电机指标A型号：型号：57BYGH210相数：相数：2相相线圈：线圈：4V,2.4A,1.6步距角：步距角：1.8/0.9接线方式：接线方式：A、B、红、绿、黄红、绿、黄、蓝蓝B3系统要求系统要求开环伺服系统，开环伺服系统，执行元件为步进电动机，执行元件为步进电动机，传动机构为丝杠螺母副。传动机构为丝杠螺母副。工作台脉冲当量：

12、工作台脉冲当量：=0.01mm/脉冲；脉冲；最大运动速度最大运动速度=1.2m/min；定位精度定位精度=0.01mm；空载启动时间空载启动时间=25ms。（1）系统任务分析、原理分析。）系统任务分析、原理分析。（2）确定步进电动机参数。）确定步进电动机参数。（3）设计步进电动机开环伺服控制系统。）设计步进电动机开环伺服控制系统。（4）#步进电动机开环伺服控制单片机软、硬件步进电动机开环伺服控制单片机软、硬件系统制作及调试。系统制作及调试。（5）#精密工作台开环伺服控制系统连接及调试。精密工作台开环伺服控制系统连接及调试。#为课上完成内容。为课上完成内容。4实验任务实验任务5思考思考（1）精密仪器控制系统设计的关键是什么？）精密仪器控制系统设计的关键是什么？（2）若精密工作台的脉冲当量）若精密工作台的脉冲当量=0.001 mm/脉脉冲或更小，该系统应采取什么措施满足要求？如冲或更小，该系统应采取什么措施满足要求？如何实现？何实现？6实验报告实验报告包括：目的、任务；系统要求及任务分析；系统包括：目的、任务；系统要求及任务分析；系统原理设计及分析；系统设计及线路图和流程图；原理设计及分析；系统设计及线路图和流程图；系统调试。系统调试。