1、机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 第五章第五章 伺服系统设计伺服系统设计5.1概述概述 5.1.1 概念概念 伺服系统伺服系统 在控制指令的指挥下在控制指令的指挥下,控制驱动元件控制驱动元件,使机械系统的运动部件使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动的系统。按照指令要求进行运动的系统。伺服系统有伺服系统有闭环伺服系统闭环伺服系统与与开环伺服系统开环伺服系统之分。之分。闭环伺服系统是一种反馈控制系统，其工作过程是偏差不断产生又不断闭环伺服系统是一种反馈控制系统，其工作过程是偏差不断产生又不断消除的过程。消除的过程。举例：举例：步进电机滚珠丝杠伺服驱动系统（开环位置控制伺服系统）。步进电
2、机滚珠丝杠伺服驱动系统（开环位置控制伺服系统）。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计5.1.2 伺服系统的类型及要求伺服系统的类型及要求一、类型一、类型 1 按被控量分按被控量分:有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系统。有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系统。2 按控制方式分按控制方式分:有有开环、闭环、半闭环开环、闭环、半闭环等伺服系统。等伺服系统。3 按驱动元件性质分按驱动元件性质分:有有电动、液压、气动电动、液压、气动等伺服系统。等伺服系统。二、二、基本要求基本要求 1、稳定性要求稳定性要求 稳定的系统在受到外界干扰时稳定的系统在受到外界干扰时,其输出响应的过度过程随时间的增加而
3、其输出响应的过度过程随时间的增加而衰减衰减;不稳定的系统其输出响应的过度过程随时间的增加而增加，或表现为等不稳定的系统其输出响应的过度过程随时间的增加而增加，或表现为等幅振。幅振。稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及参数（如贯性稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及参数（如贯性 刚刚度度 阻尼阻尼 增益等），与外界作用信号的性质或形式无关。增益等），与外界作用信号的性质或形式无关。2、精度要求精度要求 伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。3、快速响应性要求快速响应性要求 快速响应快速响应 输出跟随输入信号的变化程度以及动态响
4、应过程结束的迅输出跟随输入信号的变化程度以及动态响应过程结束的迅速程度。速程度。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计5.2 伺服系统中的执行器件及其控制伺服系统中的执行器件及其控制 5.2.1 概述概述 一、执行器件类型：一、执行器件类型：1、电气式电气式：步进电机：步进电机 直流伺服电机直流伺服电机 交流交流伺服电机伺服电机等。等。2、液压式液压式：液压缸：液压缸 液压马达等，控制性能不如伺服电机。液压马达等，控制性能不如伺服电机。3、气压式气压式：气缸：气缸 气马达等，较难伺服控制。气马达等，较难伺服控制。二、对执行器件的要求：二、对执行器件的要求：惯性小，动力大；体积小，质量轻；好控
5、制，成本低；可靠惯性小，动力大；体积小，质量轻；好控制，成本低；可靠性好等。性好等。5.2.2 直流伺服电动机及控制直流伺服电动机及控制 书上只介绍了速度控制（不要求）书上只介绍了速度控制（不要求）机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计5.2.3 步进电动机及其控制步进电动机及其控制一、工作原理一、工作原理 如下图所示：如下图所示：定子上有定子上有6个齿，三对磁极，转子上分布有个齿，三对磁极，转子上分布有4个齿。个齿。定子上三相绕组（三对磁极）轮流通电，吸引转子一步一步旋转。定子上三相绕组（三对磁极）轮流通电，吸引转子一步一步旋转。每通断电一次，步进电机转过的角度称为步距角，图为每通断电一次
6、，步进电机转过的角度称为步距角，图为30。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计二、通电方式及步距角计算二、通电方式及步距角计算（一）通电方式（一）通电方式定子绕组每通断电操作一次称为一拍。定子绕组每通断电操作一次称为一拍。三相单三拍通电方式：三相单三拍通电方式：ABC A 三相双三拍通电方式：三相双三拍通电方式：AB BC CA AB 三相六拍（单双轮流）通电方式：三相六拍（单双轮流）通电方式：A AB B BC C CA A 改变各相绕组的通断电顺序可实现逆转。改变各相绕组的通断电顺序可实现逆转。一般对于一般对于m相步进电机有：相步进电机有：1、m相单相单m拍通电方式。拍通电方式。2、m
7、相双相双m拍通电方式。拍通电方式。3、m相相2倍倍m拍通电方式。拍通电方式。m相单相单m拍通电方式为单相通电方式，由于矩频特性差拍通电方式为单相通电方式，由于矩频特性差,容易失步容易失步,实际较实际较少采用。少采用。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（二）步距角计算（二）步距角计算 =360/(cmz)步距角；步距角；z转子的齿数；转子的齿数；m步进电机的相数；步进电机的相数；c 通电方式系数，单拍或双拍通电时取通电方式系数，单拍或双拍通电时取1，单双轮流通电时取，单双轮流通电时取2。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计三、步进电机的主要性能指标及特性三、步进电机的主要性能指标及特性
8、 1、最大静转矩最大静转矩Tmax 步进电机运行频率为零（转速为零）时的输出转矩。步进电机运行频率为零（转速为零）时的输出转矩。步进电机运行频率步进电机运行频率步进电机绕组每秒钟通断电次数。步进电机绕组每秒钟通断电次数。步进电机工作时的负载转矩一般取最大静转矩的步进电机工作时的负载转矩一般取最大静转矩的30%50%。2、步距角及其精度步距角及其精度（误差）（误差）空载时实测步距角与理论步距角之差空载时实测步距角与理论步距角之差.反应了步进电机的制造精度。反应了步进电机的制造精度。步进电机步距角精度较低的一般为步进电机步距角精度较低的一般为1030,精度高的可达精度高的可达25。机电一体化系统设
9、计 第五章 伺服系统设计3、步进电机矩角特性、步进电机矩角特性静态时转矩与失调角的关系。静态时转矩与失调角的关系。什么是失调角？什么是失调角？保持一相（单拍）或两相（双拍）绕组通电保持一相（单拍）或两相（双拍）绕组通电，此时定子与转子的齿对齐，此时定子与转子的齿对齐，当转子加一负载转矩时，转子将转当转子加一负载转矩时，转子将转角，角，角称为失调角。转矩与角称为失调角。转矩与关系见下关系见下图：图：机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 4 4、启动矩频特性、启动矩频特性 启动频率与负载转矩的关系。启动频率与负载转矩的关系。启动频率启动频率电机在有外加负载转矩时，不失步启动的最高脉冲频率。电机
10、在有外加负载转矩时，不失步启动的最高脉冲频率。失步失步转子前进的步数不等于输入的脉冲数。转子前进的步数不等于输入的脉冲数。启动矩频特性曲线见下图。启动矩频特性曲线见下图。由图可知，负载转矩越大所允许的最大启动频率就越小。由图可知，负载转矩越大所允许的最大启动频率就越小。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 5、启动惯频特性、启动惯频特性 启动惯频特性启动惯频特性 启动频率与转动惯量（纯惯性负载）之间的关系。启动频率与转动惯量（纯惯性负载）之间的关系。如图下所示，负载转动惯量越大，允许最大启动频率就越低。如图下所示，负载转动惯量越大，允许最大启动频率就越低。机电一体化系统设计 第五章 伺服系
11、统设计6、连续运行矩频特性、连续运行矩频特性 电机启动后不失步运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。电机启动后不失步运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。如下图所示，电机输出转矩随运行频率的增加而减小。如下图所示，电机输出转矩随运行频率的增加而减小。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计7、步进运行和低频振荡、步进运行和低频振荡 步进运行步进运行 当输入脉冲频率很低时，脉冲周期大于电机的过渡过程时当输入脉冲频率很低时，脉冲周期大于电机的过渡过程时间，电机处于一步一停的状态。间，电机处于一步一停的状态。低频振荡低频振荡步进电机运行的频率（较低时）与电机的固有频率相等或步进电机运行的频率（较低时
12、）与电机的固有频率相等或接近时，会发生共振，使电机产生振荡不前的现象。接近时，会发生共振，使电机产生振荡不前的现象。避免低频振荡方法避免低频振荡方法：（：（1）避开固有频率运行；（）避开固有频率运行；（2）调节电机上阻尼器）调节电机上阻尼器改变固有频率。改变固有频率。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计四、四、步进电机的控制与驱动步进电机的控制与驱动 要使步进电机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以要使步进电机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以产生旋转磁场，即按一定规律将控制脉冲分配给步进电机各绕组。步进电机产生旋转磁场，即按一定规律将控制脉冲分配给步进电机各绕组。步
13、进电机每接收一个脉冲将相应转过一定的角度。每接收一个脉冲将相应转过一定的角度。按一定规律将指令脉冲分配给步进电机各绕组的器件称脉冲分配器。按一定规律将指令脉冲分配给步进电机各绕组的器件称脉冲分配器。脉脉冲分配器有硬件与软件之分。冲分配器有硬件与软件之分。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（一）（一）软件脉冲分配器软件脉冲分配器与控制编程与控制编程 软件脉冲分配器软件脉冲分配器用计算机程序实现脉冲分配。用计算机程序实现脉冲分配。应用举例：应用举例：已知数控机床某方向进给系统脉冲当量已知数控机床某方向进给系统脉冲当量=0.01mm（脉冲当（脉冲当量：一个脉冲（一个步距角）前进的距离。量：一个
14、脉冲（一个步距角）前进的距离。=(p)/(360 i)，其中，其中 步距角，步距角，P导程，导程，i传动比），计算机晶振频率为传动比），计算机晶振频率为6M，选用四相，选用四相电机，四相八拍工作方式，要求工作台以电机，四相八拍工作方式，要求工作台以V=1000mm/min的速度前进的速度前进2mm，设计步进电机驱动硬件及软件设计步进电机驱动硬件及软件（采用软件脉冲分配器）。（采用软件脉冲分配器）。1 1、硬件（、硬件（接口）设计接口）设计 当当P1.0P1.0置低电平时，对应的置低电平时，对应的A A向为高电平，步进电机相应绕组带电。向为高电平，步进电机相应绕组带电。机电一体化系统设计 第五章
15、 伺服系统设计 2 2、四相八拍脉冲分配表、四相八拍脉冲分配表 每个控制数据高每个控制数据高4 4位值为位值为F F（理论上可为任意值）。（理论上可为任意值）。按按1 1到到8 8的序号送控制数据为正转；的序号送控制数据为正转；按按8 8到到1 1的序号送控制数据为反转。的序号送控制数据为反转。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 3 3、脉冲分配软件、脉冲分配软件 任务：按一定顺序及时间间隔将控制脉冲分配给步进电机各绕组，以任务：按一定顺序及时间间隔将控制脉冲分配给步进电机各绕组，以产生旋转磁场。产生旋转磁场。编程思路编程思路：mov R1,#19H ;共走共走200步步 LP:mov
16、P1,#0FEH LCALL YS ;调用延时子程序，延时调用延时子程序，延时0.6ms。0.6200=120ms200=120ms mov P1,#0FCH LCALL YS ;调用延时子程序调用延时子程序 .DJNZ R1,LP 机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 脉冲分配控制程序：脉冲分配控制程序：（1）按序号查表求控制数据，结果存放在）按序号查表求控制数据，结果存放在55H单元单元 内存使用安排：内存使用安排：02H中存正反转标志，中存正反转标志，0正转，正转，1反转反转 52H中存节拍序号，中存节拍序号，01H08H 55H中存控制数据（程序运行结果）中存控制数据（程序运行结果
17、）MCFP：MOV R1，#52H ；用用R1间接寻址，间接寻址，52H中存节拍序号中存节拍序号 MOV C，02H ；正反转标志送正反转标志送C寄存器寄存器 JC PPD2；若；若C=1（反转（反转)跳转到跳转到PPD2，否则往下执行正转程序，否则往下执行正转程序 INC R1 ;节拍序号加节拍序号加1,正转正转 CJNE R1,#09H,PPD3;R1R1与与#09H#09H比较不相等比较不相等(序号序号9)0)转转PPD3(求控制数据求控制数据)MOV R1,#08H 若序号若序号=0 则则 序号单元置序号单元置8,即即52H=8PPD3:MOV A,R1 ;序号送累加器序号送累加器A
18、ADD A,#03H ;A的内容加查表偏移量的内容加查表偏移量(3字节字节),结果在结果在A中中 MOVC A,A+PC ;根据序号查表得控制数据根据序号查表得控制数据,结果在结果在A中中 MOV 55H,A ;控制数据送控制数据送55H单元单元(2字节字节)RET ;返回返回(1字节字节)DB:0FEH,0FCH,0FDH,0F9H,0FBH,0F3H,0F7H,0F6H 机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 （2 2）以一定的时间间隔将）以一定的时间间隔将55H55H中数据送中数据送P1P1口口(应满足要求应满足要求:V=1000V=1000mm/minmm/min的速度前进的速度前进
19、2 2mm)mm)思路思路:利用定时中断计数器发出中断信号利用定时中断计数器发出中断信号,准时地、等间隔地将准时地、等间隔地将55H55H中数中数据送据送P1P1口。口。1)1)、计算定时中断时间常数、计算定时中断时间常数(采用采用T0T0定时中断计数器定时中断计数器)如果采用定时模式如果采用定时模式1 1，即通过，即通过1616位计数器位计数器TH0TH0（高（高8 8位）位）TL0TL0（低（低8 8位）计位）计数，计数满产生中断。数，计数满产生中断。中断快慢取决于：晶振频率（晶振振荡中断快慢取决于：晶振频率（晶振振荡1212次计一个数）。次计一个数）。开始计数时开始计数时TH0TL0TH
20、0TL0已存有的数已存有的数(时间常数时间常数)大小。大小。时间常数大则计满数快，数小则慢。时间常数大则计满数快，数小则慢。时间常数：时间常数：T Tx x=2=21616(5f(5fOSCOSC)/v)/v 式中，式中，f fOSCOSC为晶振频率为晶振频率 ，为脉冲当量为脉冲当量 ，v v 为工作台移动速度。为工作台移动速度。T Tx x=2=21616(5f(5fOSCOSC)/v=65536 5)/v=65536 56 610106 60.01/1000=652360.01/1000=65236 =15 =1516163 3+14+1416162 2+13+1316+4=0FED4H1
21、6+4=0FED4H 2 2）、计算进给步数）、计算进给步数 步数步数=进给距离进给距离/脉冲当量脉冲当量=2/0=2/0.01.01=200=0C8H=200=0C8H 机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 3)程序清单程序清单JGkZJGkZ：MOV R4MOV R4，#0C8H#0C8H ；进给步数送进给步数送R4R4。MOV 52H MOV 52H，#01H#01H ；节拍序号节拍序号1 1送内存送内存52H52H。MOV TL0 MOV TL0，#0D4H#0D4H ；送时间常数低送时间常数低4 4位到定时计数器。位到定时计数器。MOV TH0 MOV TH0，#0FEH#0FE
22、H ；送时间常数高送时间常数高4 4位到定时计数器。位到定时计数器。LOP0LOP0：MOV 02H MOV 02H，#00H#00H ；正转标志正转标志#00#00送内存送内存02H02H。LOP1LOP1：LCALL MCFP LCALL MCFP ；调用调用“求脉冲分配控制数据求脉冲分配控制数据”子程序，结果在子程序，结果在55H55H中中.MOV R3 MOV R3，#01H#01H ；R3 R3中存放中断与否标志，中存放中断与否标志，R3=1R3=1未中断，未中断，R3=0R3=0已中断已中断.SETB TR0 SETB TR0 ；启动定时器启动定时器T0T0。SETB ET0 SE
23、TB ET0 ；T0 T0开放中断。开放中断。LOP2LOP2：CJNE R3 CJNE R3，#00H#00H，LOP2 LOP2；R3 R3与与#00#00比较不相等则等待，中断完成比较不相等则等待，中断完成R3=#00HR3=#00H。DJNZ R4 DJNZ R4，LOP1 LOP1 ；R4 R4减减1 1（步数减（步数减1 1），不为零转），不为零转LOP1LOP1继续。继续。RET RET T0 T0中断程序（定时向电机输出进给脉冲）中断程序（定时向电机输出进给脉冲）T0 T0入口：入口：000BH AJMP 200H000BH AJMP 200H ORG 200H ORG 200
24、H MOV TL0 MOV TL0，#0D4H#0D4H ；重装重装 时间常数，为什么要重装？时间常数，为什么要重装？MOV TH0 MOV TH0，#0FEH#0FEH MOV P1 MOV P1，55H 55H ；将控制数据送将控制数据送P1P1口输出，控制数据由口输出，控制数据由“MCFP”“MCFP”求得求得 MOV R3 MOV R3，#00H#00H；将中断完成标志将中断完成标志“#00H”“#00H”送送R3R3 RETI RETI ；中断返回中断返回 机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（3）如何调速？如何调速？改变时间常数即可改变电机进运行速度。改变时间常数即可改变电机进
25、运行速度。时间常数增大时间常数增大计数器溢出所用的时间短计数器溢出所用的时间短每次中断每次中断所用的时间就少所用的时间就少电机运行频率加快电机运行频率加快电机运行速度变快。电机运行速度变快。反之，时间常数减小反之，时间常数减小电机运行速度减慢。电机运行速度减慢。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（二（二）硬件脉冲分配器硬件脉冲分配器及其接口及其接口 1、概念、概念 硬件脉冲分配器大多作成集成芯片，硬件脉冲分配器大多作成集成芯片，由硬件（由硬件（芯片）芯片）本身本身实现脉冲分配。实现脉冲分配。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 国内外有多种芯片型号，现国内外有多种芯片型号，现以国产芯
26、片以国产芯片YB013YB013为例说明硬件为例说明硬件脉冲分配器的使用。脉冲分配器的使用。右图是右图是YB013 YB013 脉冲分配器管脉冲分配器管脚图。脚图。E0 E0：输出选通：输出选通 A1 A0 A1 A0：见表：见表5-35-3 E1 E2 E1 E2：输入选通：输入选通机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 2、硬件脉冲分配器接口硬件脉冲分配器接口 A0=1，A1=0，三相六拍通电方式。，三相六拍通电方式。P1.0置高电平（置高电平（SETB P1.0）电机正转，置低电平（）电机正转，置低电平（CLR P1.0）电机反转。）电机反转。P1.1输出的脉冲数量（高低各置一次）决定
27、电机旋转角度。输出的脉冲数量（高低各置一次）决定电机旋转角度。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 （三（三）驱动电路驱动电路 由于光电隔离输出的控制信号其功率有限，一般不能直接驱动步进电由于光电隔离输出的控制信号其功率有限，一般不能直接驱动步进电机，需要功率放大，即驱动。驱动电路种类很多，下图示出了一种驱动机，需要功率放大，即驱动。驱动电路种类很多，下图示出了一种驱动电路。电路。图中，来自脉冲分配器的工作脉冲，图中，来自脉冲分配器的工作脉冲，经电流放大后加到功率三极管经电流放大后加到功率三极管T的基极，的基极，使使T导通；电容导通；电容C 的作用是在导通起始的作用是在导通起始时刻使电机绕
28、组电流迅速上升；时刻使电机绕组电流迅速上升；T 稳态稳态时电阻时电阻R 起限流作用，起限流作用，T截止时二极管截止时二极管起释放绕组中能量的作用。由于电阻起释放绕组中能量的作用。由于电阻R 的功耗大，效率低，此电路只适用于小的功耗大，效率低，此电路只适用于小型步进电机。型步进电机。市场上有商品驱动模块供应，可根市场上有商品驱动模块供应，可根据用途选购。据用途选购。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计5.3开环控制的伺服系统设计开环控制的伺服系统设计 什么是开环控制的伺服系统？什么是开环控制的伺服系统？无检测反馈元件的伺服系统无检测反馈元件的伺服系统称开环控制的伺服系统。称开环控制的伺服系统
29、。开环伺服系统结构简单，开环伺服系统结构简单，不存在稳定性问题，但精度低不存在稳定性问题，但精度低。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计一一.系统方案设计系统方案设计 一般来说，各种开环伺服系统在结构原理上常有类似之处，其原理框图一般来说，各种开环伺服系统在结构原理上常有类似之处，其原理框图 见图见图5-31。1.执行元件选择执行元件选择 执行元件可以是执行元件可以是步进电机步进电机，也可以是，也可以是交流电机或直流伺服电机交流电机或直流伺服电机，还可以，还可以是电液脉冲马达或伺服液压缸等。是电液脉冲马达或伺服液压缸等。不同的执行元件，接口及功放电路有所不同。不同的执行元件，接口及功放电路
30、有所不同。2.传动机构方案选择传动机构方案选择 传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个接口。传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个接口。图图5-32的传动机构为减速器和丝杠螺母副。丝杠螺母副用于将旋转运动的传动机构为减速器和丝杠螺母副。丝杠螺母副用于将旋转运动变为直线运动，减速器的作用主要是增大转矩，匹配惯量，配凑脉冲当量。变为直线运动，减速器的作用主要是增大转矩，匹配惯量，配凑脉冲当量。3.执行机构方案选择根据实际需要及要求选择。执行机构方案选择根据实际需要及要求选择。4.控制系统控制系统 控制系统包括微机（工控机控制系统包括微机（工控机 PLC 单片机）单片机）接口电路及驱动电
31、路等，接口电路及驱动电路等，这些在前面已作介绍。这些在前面已作介绍。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计二二.机械系统设计计算机械系统设计计算 以图以图5-32所示的开环位置伺服控制系统的机械传动原理图为例，说明设计所示的开环位置伺服控制系统的机械传动原理图为例，说明设计计算方法。计算方法。（一）确定脉冲当量，选步进电机步距角（一）确定脉冲当量，选步进电机步距角 根据系统精度要求定脉冲当量，一般根据系统精度要求定脉冲当量，一般p=0.0050.01mm。在综合考虑转矩在综合考虑转矩 运动精度及价格的前提下选定电机，步距角随电机的选定而运动精度及价格的前提下选定电机，步距角随电机的选定而确定
32、，一般为零点几度到十几度。确定，一般为零点几度到十几度。（二）计算减速器传动比（二）计算减速器传动比 i=（P）（360p）步距角步距角 P导程导程 p脉冲当量脉冲当量 传动比传动比 步距角步距角 脉冲当量脉冲当量 导程四者之间可互相调配，互相兼顾。导程四者之间可互相调配，互相兼顾。当传动比较大时（一级传动不可能实现时），如何确定传动级数？当传动比较大时（一级传动不可能实现时），如何确定传动级数？如何分配传动比？如何分配传动比？机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 1.按图按图5-33确定传动级数确定传动级数 原则：原则：JGJP尽量小，尽量小，级数也应尽量小。级数也应尽量小。举例：举例：
33、当当i=2时，选时，选1 级传动；级传动；当当i=3时，选时，选2 级传动；级传动；当当i=4时，选时，选2 级传动；级传动；当当i =15时，选时，选3 级传动。级传动。2.按图按图5-34分配传动比分配传动比举例：举例：（1）i=4，2级传动时，级传动时，i1=1.8 i2=2.2（2）i=15，3级传动时，级传动时，i1=1.7 i2=2.3 i3=3.8 机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（三）计算系统转动惯量（三）计算系统转动惯量 步进电机轴上的转动惯量直接影响电机负载转矩的大小，所有传动件的转动惯步进电机轴上的转动惯量直接影响电机负载转矩的大小，所有传动件的转动惯量都应折算到
34、电机轴上，以获得当量负载转动惯量量都应折算到电机轴上，以获得当量负载转动惯量Jd（单位：单位：Kgm2）。圆柱体转动惯量计算：圆柱体转动惯量计算：J=（d4L）32 电机轴上当量转动惯量：电机轴上当量转动惯量：Jd=JZ1+（JZ2+JS）i2+（P（2i）2m JZ1电机轴上齿轮的转动惯量电机轴上齿轮的转动惯量 JZ2丝杠轴上齿轮的转动惯量丝杠轴上齿轮的转动惯量 JS丝杠转动惯量丝杠转动惯量 P 丝杠导程丝杠导程 机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（四）步进电机动力参数的确定（四）步进电机动力参数的确定 1.步进电机的最大静转矩步进电机的最大静转矩TS（TS是选择电机的主要参数）是选择
35、电机的主要参数）TS maxTS1，TS2 TS1启动时（空载或有载）电机所需最大静转矩；启动时（空载或有载）电机所需最大静转矩；TS2 最大外载工作时，电机所需最大静转矩。最大外载工作时，电机所需最大静转矩。TS1=Tq K Tq启动时负载转矩，由下式求得启动时负载转矩，由下式求得：Tq=（Jm+Jd）+p（F+Fw）（2i）+PF0（1-02）（2i）K系数（系数（K=TqTs1），由有关表查得（与电机相数及运行拍数有关）。，由有关表查得（与电机相数及运行拍数有关）。TS2=T1（0.30.5）T1最大外载下工作时电机轴上负载转矩，由最大外载下工作时电机轴上负载转矩，由Tq 减去惯量项求得
36、。减去惯量项求得。T1=p（F+Fw）（2i）+PF0（1-02）（2i）机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 2.步进电机最大启动频率及最大运行频率步进电机最大启动频率及最大运行频率 根据启动转矩根据启动转矩Tq及负载转矩及负载转矩T1，由电机，由电机启动矩频特性曲线及启动矩频特性曲线及连续运行矩连续运行矩频特性曲线（电机不同，曲线也会有所不同）可查出最大启动频率及最大运频特性曲线（电机不同，曲线也会有所不同）可查出最大启动频率及最大运行频率，实际启动及运行时应低于这一频率。行频率，实际启动及运行时应低于这一频率。（五）验算惯量匹配（五）验算惯量匹配 电机轴的当量负载转动惯量电机轴的当量
37、负载转动惯量Jd与电机轴自身转动惯量与电机轴自身转动惯量Jm（与电机有关的与电机有关的已知参数）的比值应控制在一定的范围内：已知参数）的比值应控制在一定的范围内：14Jd Jm1 Jd Jm太大时系统的动态特性取决于负载特性，使系统的综合性能变太大时系统的动态特性取决于负载特性，使系统的综合性能变差；差；Jd Jm太小经济性差。太小经济性差。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（六）计算传动系统刚度（六）计算传动系统刚度 传动系统刚度主要由传动系统刚度主要由KL KN KB三部分组成。三部分组成。KL丝杠本身的拉压刚度，由丝杠本身的拉压刚度，由表表5-8 中有关公式计算；中有关公式计算；K
38、N丝杠螺母间的接触刚度，由有关表格查得（常为已知条件）；丝杠螺母间的接触刚度，由有关表格查得（常为已知条件）；KB轴承及轴承座的支承刚度，由有关表格查得（常为已知条件）轴承及轴承座的支承刚度，由有关表格查得（常为已知条件）。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 丝杠传动的综合刚度丝杠传动的综合刚度K0根据根据KL KN KB由由表表5-9 中有关公式计算。中有关公式计算。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计三三.机械系统动态特性分析机械系统动态特性分析 什么是机械系统动态特性？什么是机械系统动态特性？机械系统机械系统动态特性动态特性包括包括快速响应性，系统的稳定性，共振频率快速响应性，
39、系统的稳定性，共振频率等。等。影响动态特性的参数主要有两个：影响动态特性的参数主要有两个：系统系统无阻尼固有频率无阻尼固有频率 n 及及系统阻尼比系统阻尼比 。1.系统无阻尼固有频率系统无阻尼固有频率n 纵向振动：纵向振动：n=(K0 m)K0丝杠螺母综合拉压刚度；丝杠螺母综合拉压刚度；m丝杠和工作台的等效集中质量。丝杠和工作台的等效集中质量。m=m1+1(3m2)；m1为工作台质量，为工作台质量，m2为丝杠质量。为丝杠质量。扭转振动：扭转振动：n=(KS JS)KS折算到丝杠上当量扭转刚度；折算到丝杠上当量扭转刚度；JS折算到丝杠上当量扭转惯量。折算到丝杠上当量扭转惯量。n影响系统响应速度。
40、增大影响系统响应速度。增大n可加快系统的响应速度，还有利于避可加快系统的响应速度，还有利于避开输入信号频率范围，防止共振。开输入信号频率范围，防止共振。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 可提高刚度可提高刚度,减小惯量或工作台质量来增大减小惯量或工作台质量来增大n n,设计时一般取设计时一般取n n300rad/S(f=300rad/S(f=n n/2)/2)2 2、系统阻尼比、系统阻尼比 纵向振动纵向振动：=f/2(mk=f/2(mk0 0)f f工作台导轨的粘性阻尼系数；工作台导轨的粘性阻尼系数；m m 及及k k0 0 的含义同上。的含义同上。扭转振动扭转振动：=f=fS S/2(
41、J/2(JS Sk kS S)f fS S丝杠转动的当量粘性系数；丝杠转动的当量粘性系数；J JS S及及k kS S 的含义同上。的含义同上。阻尼比阻尼比 大，可提高系统的稳定性，降低振动影响的幅值，减小超大，可提高系统的稳定性，降低振动影响的幅值，减小超调量，但会降低系统的定位精度以及系统的响应速度。调量，但会降低系统的定位精度以及系统的响应速度。一般取一般取=0.40.8=0.40.8（存在一定的超调量）。设计时给出具体的阻尼（存在一定的超调量）。设计时给出具体的阻尼数据很困难，一般不进行定量分析，可参照前人的成果定性分析，或通过实数据很困难，一般不进行定量分析，可参照前人的成果定性分析
42、，或通过实验获得具体数据。验获得具体数据。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计四四.系统误差分析系统误差分析 在开环控制伺服系统中无检测反馈装置，输入与输出之间总会存在误差，在开环控制伺服系统中无检测反馈装置，输入与输出之间总会存在误差，主要有两个方面。主要有两个方面。（一）（一）死区误差死区误差 死区误差死区误差启动或反向时输入与输出之间的差值。启动或反向时输入与输出之间的差值。如果忽略电气系统（很小）及间隙（可消除）所产生的死区误差，则系如果忽略电气系统（很小）及间隙（可消除）所产生的死区误差，则系统的死区误差主要取决于摩擦力引起的变形统的死区误差主要取决于摩擦力引起的变形（未考虑轴向
43、负载）未考虑轴向负载）。=F=FK K0 0 （m m）F F导轨静摩擦力（导轨静摩擦力（N N）；）；K K0 0丝杠螺母机构综合拉压刚度（丝杠螺母机构综合拉压刚度（N N m m）。）。最大反向死区误差：最大反向死区误差：=2=2=（2 F2 F）K K0 0=（2g2g0 0）n n2 2 （m m）g-g-重力加速度（重力加速度（9 9.8m.8mS S2 2）；）；0 0-导轨静摩擦系数；导轨静摩擦系数；n n-工作台纵向固有频率工作台纵向固有频率。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（二）由刚度变化引起的（二）由刚度变化引起的定位误差定位误差 定位误差指的是工作台的实际位置与理
44、论位置之差。定位误差指的是工作台的实际位置与理论位置之差。当工作台处于不同位置时，丝杠螺母机机构的综合拉压刚度是变化的，当工作台处于不同位置时，丝杠螺母机机构的综合拉压刚度是变化的，这种变化会引起定位误差这种变化会引起定位误差k。在不考虑轴向负载的情况下，整个行程范围内最大定位误差：在不考虑轴向负载的情况下，整个行程范围内最大定位误差：kmax=FK0min F K0max （单位：单位：m）F 工作台重力引起的静摩擦力（工作台重力引起的静摩擦力（N）；）；K0min K0max工作台行程范围内丝杠副最小和最大综合拉压刚度（工作台行程范围内丝杠副最小和最大综合拉压刚度（N/m)。kmax的大小
45、一般占系统允许定位误差的的大小一般占系统允许定位误差的1/3左右。左右。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计5.4 闭环控制的伺服系统设计闭环控制的伺服系统设计 什么是闭环控制系统？什么是闭环控制系统？对系统的输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制的系统对系统的输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制的系统称之为闭环控制系统。称之为闭环控制系统。系统输出的物理量形式各种各样，有位移系统输出的物理量形式各种各样，有位移 温度温度 压力压力 流量流量 速度等。因速度等。因此，有位置闭环控制，温度闭环控制，压力闭环控制，流量闭环控制等。此，有位置闭环控制，温度闭环控制，压力闭环
46、控制，流量闭环控制等。下面是数控机床常用的位置闭环、半闭环控制结构框图。下面是数控机床常用的位置闭环、半闭环控制结构框图。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计举例：电冰箱是典型的温度闭环控制系统。举例：电冰箱是典型的温度闭环控制系统。自动供水系统是闭环压力控制系统。自动供水系统是闭环压力控制系统。5.4.1 系统总体方案设计系统总体方案设计 总体上说方案设计应综合考虑如下几个问题：总体上说方案设计应综合考虑如下几个问题：1、用户技术要求、用户技术要求 一般用户技术要求包括如下内容：精度要求，性能指标要求，寿命要求，一般用户技术要求包括如下内容：精度要求，性能指标要求，寿命要求，稳定性、可靠
47、性要求，外观要求等。稳定性、可靠性要求，外观要求等。2、价格要求、价格要求 3、市场供货状态、市场供货状态 所选元器件市场能否买到，是否流行，售后服务如何等。所选元器件市场能否买到，是否流行，售后服务如何等。系统总体方案设计及元件的选择是与现代技术的发展及市场的供货状态系统总体方案设计及元件的选择是与现代技术的发展及市场的供货状态紧密联系的。紧密联系的。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 5.4.2 伺服电机驱动位置控制闭环伺服伺服电机驱动位置控制闭环伺服系统（交流伺服电机驱动与此类似）。系统（交流伺服电机驱动与此类似）。（一）系统数学模型（一）系统数学模型 系统的原理框图系统的原理框图
48、:机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 1、在系统的原理框图中，位置控制放大器、速度控制放大器、速度传感、在系统的原理框图中，位置控制放大器、速度控制放大器、速度传感器、位置传感器可看成是比例环。器、位置传感器可看成是比例环。2、直流伺服电机可看成是一个惯性环节，传递函输为：、直流伺服电机可看成是一个惯性环节，传递函输为：G1（s）=Km（1+jS）（1）Km电压与角速度的比例系数；电压与角速度的比例系数；j时间常数，与转子回路电阻及转子转动惯量等因素有关；时间常数，与转子回路电阻及转子转动惯量等因素有关；S将时间函数进行拉氏变换后的参数。将时间函数进行拉氏变换后的参数。3、积分环节将转速
49、变为转角，传递函输为：、积分环节将转速变为转角，传递函输为：G2（s）=1S （2）4、机械系统可看成是一个二阶振荡环节，由质量块、机械系统可看成是一个二阶振荡环节，由质量块 弹簧弹簧 阻尼构成，传递阻尼构成，传递函输为：函输为：G3（s）=（K3n2）（）（S2+2nS+n2）（3）n2 无阻尼固有频率；无阻尼固有频率；阻尼系数；阻尼系数；K3=P（2i），），P导程，导程，i传动比。传动比。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计 系统的方框图如右图所示系统的方框图如右图所示:其传递函数为：其传递函数为：W（S）=X（S）RP（S）=K1K2G1G2G3 1+K2G1K+K1K2G1G2G
50、3KP 将将G1（s）=Km（1+jS）、）、G2（s）=1S 、G3（s）=K3n2（S2+2nS+n2）代入上式得：代入上式得：K1K2KmK3 n2（1+jS）S（S2+2nS+n2）1+K2 KmK（1+jS）+K1K2KmK3n2KP（1+jS）S）S2+2nS+n2）化简后得：化简后得：K1K2KmK3 n2 S（1+K2 KmK+jS）（）（S2+2nS+n2）+K1K2K3KP Km n2 这是一个高阶系统，为便于分析，应进行简化。这是一个高阶系统，为便于分析，应进行简化。机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计（二）数学模型简化（二）数学模型简化 假设几种理想状态，以便定性分
