伺服系统稳态设计

1、伺服系统稳态设计伺服系统稳态设计 概述概述 伺服系统典型负载分析和计算伺服系统典型负载分析和计算 伺服系统控制方案选择伺服系统控制方案选择 伺服电机选择伺服电机选择 伺服检测装置的选择伺服检测装置的选择 放大装置选择放大装置选择概概 述述 伺服系统稳态设计的内容伺服系统稳态设计的内容 对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。 伺服系统稳态设计目的伺服系统稳态设计目的 确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系确

2、定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系统的控制能力。统的控制能力。 动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包括满足动态误差、稳定性及快速性要求。括满足动态误差、稳定性及快速性要求。 伺服系统稳态设计伺服系统稳态设计特点特点 稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。 工程定量计算的计量单位工程定量计算的计量单位 我国计量管理规定一律采用国际单位制我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭。国内有些产品铭牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换

3、算成国际单位制。牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。 名名 称称符号符号工程单位工程单位国际单位国际单位换算关系换算关系转速转速角速度角速度n r/minrad/s1 r/min = /30 rad/s飞轮转矩飞轮转矩GD2kgm2gcm2Nm21 kgm2 = 9.8 Nm21 gcm2 = 9.810-7 Nm转动惯量转动惯量Jkgms2gcms2kgm21 kgms2 = 9.8 kgm21gcms2=9.810-5kgm2力力FkgN1 kg = 9.8 N力力 矩矩M或或TkgmgcmNm1 kgm = 9.8 Nm1 gcm = 9.810-5 Nm功功(能能)

4、WkgmWhJ或或Nm1 kgm = 9.8 J1 Wh = 3600 J功功 率率Pkgm/shPW或或J/s1 kgm/s = 9.8 W1 hP = 735.5 W伺服系统典型负载分析和计算伺服系统典型负载分析和计算 明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学特性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。特性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。 掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对象的实际运动规律来建立负载和干扰模型。象的实际运动规律来建立负载和干扰模型。

5、一、系统典型负载分析一、系统典型负载分析 随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机(或液或液压、气动马达压、气动马达)带动被控对象做机械运动。其控制特性与被带动被控对象做机械运动。其控制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大。控对象相联系的动力学特性关系极大。 被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳态和动态性能。态和动态性能。 系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎载、重力负载、

6、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎任一系统均有。任一系统均有。 1.摩擦负载摩擦负载 在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面之间在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面之间都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。 在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数据做在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数据做近似地估算。近似地估算。 从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚动摩擦。在条从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚动摩擦。在条件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩擦力小。件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动

7、摩擦力小。 以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘性摩擦以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘性摩擦(或称湿或称湿摩擦摩擦)和介于两者之间的边界摩擦和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦俗称半干摩擦)。在条件相同情。在条件相同情况下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。况下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。 摩擦力摩擦力Fc = fN。 摩擦系数摩擦系数f与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动速与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动速度、接触时间等均有关。度、接触时间等均有关。 输出轴上承受的摩擦力矩是由系统整个机械传动各部分的摩擦输出轴上承受的

8、摩擦力矩是由系统整个机械传动各部分的摩擦作用综合的结果。以旋转运动为例作用综合的结果。以旋转运动为例: 静摩擦力矩最大，随着输出角速度静摩擦力矩最大，随着输出角速度的增加的增加(01)时，摩擦力矩又时，摩擦力矩又略有增加或保持不变。摩擦负载对系统的工作品质影响很大。略有增加或保持不变。摩擦负载对系统的工作品质影响很大。 对随动系统而言，摩擦负载影响系统的控制精度。当要求低速对随动系统而言，摩擦负载影响系统的控制精度。当要求低速跟踪时，由于摩擦负载在低速区有跟踪时，由于摩擦负载在低速区有dMc/d1, 系统对于扰系统对于扰动动N(s) 比没有反馈时要差。因此，单回路控制系统难于抑制干比没有反馈时

9、要差。因此，单回路控制系统难于抑制干扰作用的影响。扰作用的影响。 在单回路系统中，如果系统的指标要求较高，系统的增益应在单回路系统中，如果系统的指标要求较高，系统的增益应当较大，则系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结当较大，则系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结构。构。 单回路控制系统只适用于被控对象比较简单。性能指示要求单回路控制系统只适用于被控对象比较简单。性能指示要求不很高的情况。不很高的情况。 在要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路结构。在要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路结构。 双回路控制系统对输入和干扰的传递函数分别为双回路控制系统对输入和干扰

10、的传递函数分别为 G1(s)Gc1(s)G2(s)rc_nGc2(s)+ 可以选择串联校正装置可以选择串联校正装置Gc1(s)和并联校正装置和并联校正装置Gc2(s)来满足对来满足对R(s)和和N(s)的指标要求。由于有了局部反馈，可以充分抑制的指标要求。由于有了局部反馈，可以充分抑制N(s)的干扰作用，而且当部件的干扰作用，而且当部件G2(s)的参数变化很大时，局部闭环可的参数变化很大时，局部闭环可以削弱它的影响。一般局部闭环是引入速度反馈。它还可改善以削弱它的影响。一般局部闭环是引入速度反馈。它还可改善系统的低速性能和动态品质。系统的低速性能和动态品质。 选择局部闭环的原则如下：选择局部闭

11、环的原则如下：一方面要包围干扰作用点及参数一方面要包围干扰作用点及参数变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高(一般不高一般不高于三阶于三阶)。121211222112( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cccccGs Gs GsCsR sGsGs GsGsGsCsNsGsGs GsGs 3、复合控制、复合控制 反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参数发生变化时，才能形成偏差，从而才有控制作用。复合控制数发生变化时

12、，才能形成偏差，从而才有控制作用。复合控制则是在偏差出现以前，就产生控制作用，属于开环控制方式。则是在偏差出现以前，就产生控制作用，属于开环控制方式。 前馈控制又叫顺馈控制或开环补偿。引入前馈控制的目的之前馈控制又叫顺馈控制或开环补偿。引入前馈控制的目的之一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差，加速度误差等。一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差，加速度误差等。 补偿控制是对外界干扰进行补偿。当外界干扰可量测时，通补偿控制是对外界干扰进行补偿。当外界干扰可量测时，通过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响。过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响。 对干扰实现了完全的不

13、变性。对干扰实现了完全的不变性。 G1(s)G2(s)G3(s)rc_G4(s)+G5(s)n34431( )( )( )( ),( )( )N s G s G sN sG sG s 实现：也即： 二、选择方案的注意事项二、选择方案的注意事项 选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。针选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。针对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。 军用伺服系统：工作品质、可靠性和灵活性；军用伺服系统：工作品质、可靠性和灵活性； 民用伺服系统：长期运行的经济性；民用伺服系统：长期运行的经济性； 系统运行速度很高，

14、且经常处于加速度状态，对精度的要求系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，对精度的要求高时，可以设计二阶无差度系统或者采用复合控制系统。高时，可以设计二阶无差度系统或者采用复合控制系统。 负载调速范围很宽时，一般选无槽电动机。高性能系统中，负载调速范围很宽时，一般选无槽电动机。高性能系统中，一般选大惯量宽调速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。一般选大惯量宽调速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。 考虑电磁兼容性要求考虑电磁兼容性要求。 选择方案应根据系统的主要要求，初步拟定方案，进行可行选择方案应根据系统的主要要求，初步拟定方案，进行可行性分析、试验，进一步补充和完善。有时需要构思几个方案进行性

15、分析、试验，进一步补充和完善。有时需要构思几个方案进行对比、优化，方案确定后便可按照设计步骤逐项进行，并在试验对比、优化，方案确定后便可按照设计步骤逐项进行，并在试验中作局部修改。中作局部修改。伺服电机选择伺服电机选择 伺服系统的执行元件，可采用电动机、液压泵和液压马达、伺服系统的执行元件，可采用电动机、液压泵和液压马达、气动设备、电磁离合器等。气动设备、电磁离合器等。 对执行电机的要求如下：对执行电机的要求如下： (1)满足负载运动的要求（提供足够的力矩和功率）满足负载运动的要求（提供足够的力矩和功率） (2) 正反转，起停，保证系统的快速运动正反转，起停，保证系统的快速运动 (3) 调速范

16、围调速范围 (4) 功率消耗、尺寸要求功率消耗、尺寸要求 确定电机类型、额定输入输出参数确定电机类型、额定输入输出参数 额定电压额定电压UR、额定电流、额定电流IR、额定功率、额定功率PR、额定转速、额定转速nR 控制方式控制方式 电机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分电机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分配，估算传动装置的转动惯量和传动效率。配，估算传动装置的转动惯量和传动效率。 一、伺服电动机的类型一、伺服电动机的类型 直流伺服电动机、低速大扭矩宽调速电机、两相异步电机、直流伺服电动机、低速大扭矩宽调速电机、两相异步电机、三相异步电机、同步电机、滑差电机、力矩电

17、机和步进电机。三相异步电机、同步电机、滑差电机、力矩电机和步进电机。 1.直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机按励磁方式分：他激、串激、并激直流伺服电动机按励磁方式分：他激、串激、并激 。控制。控制方式分电枢控制和磁场控制两大类。方式分电枢控制和磁场控制两大类。 电枢控制电枢控制易获得较平直的机械特性，有较宽的调速范围。功易获得较平直的机械特性，有较宽的调速范围。功率范围几百瓦至几十千瓦。率范围几百瓦至几十千瓦。 nMU1U2U3MR磁场控制磁场控制分电枢电压保持不变和电枢电流保持不变两种。分电枢电压保持不变和电枢电流保持不变两种。 电枢电压为常值，功率在几百瓦电机，具有弱磁电枢电压为

18、常值，功率在几百瓦电机，具有弱磁升升速特性。在速特性。在几十瓦以内，且负载力矩几十瓦以内，且负载力矩MR较大，负载特性处于机械特性汇交点较大，负载特性处于机械特性汇交点的右边，可以实现弱磁的右边，可以实现弱磁降降速，激磁电流速，激磁电流IR近似与转速成正比，可近似与转速成正比，可用于可逆连续调速场合。调速范围和调节特性的线性度均远不如用于可逆连续调速场合。调速范围和调节特性的线性度均远不如电枢控制。电枢控制。 电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至十几瓦的小功电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至十几瓦的小功率电机，只有加较深的速度负反馈系统才可获得稳定的转速。在率电机，只有加较深的速

19、度负反馈系统才可获得稳定的转速。在只有输出力矩只有输出力矩(转速可以为零转速可以为零)的场合比较适用的场合比较适用 。 nMnMMRMR11223123直流他激伺服电动机的转矩直流他激伺服电动机的转矩惯量比是很小的，已不能适应惯量比是很小的，已不能适应现代伺服控制技术要求现代伺服控制技术要求.两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机 (1)小惯量无槽电枢直流伺服电动机小惯量无槽电枢直流伺服电动机 无槽电枢直流伺服电动机又称表面绕组电枢直流伺服电动无槽电枢直流伺服电动机又称表面绕组电枢直流伺服电动机。结构不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组与铁心成机。结构不同

20、之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组与铁心成为一个坚实的整体，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小为一个坚实的整体，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小了电枢直径，减小了转子的转动惯量。了电枢直径，减小了转子的转动惯量。换向性能改善，过载能力换向性能改善，过载能力加强。改善低速平稳性、扩大了调速范围。加强。改善低速平稳性、扩大了调速范围。 具有以下优点：具有以下优点： 转子转动惯量小，普通电机转子转动惯量小，普通电机1/10，电磁时间常数小，反应快，电磁时间常数小，反应快 转矩转矩惯量比大，过载能力强，最大转矩比额定转矩大惯量比大，过载能力强，最大转矩比额定转矩大10倍倍 低速性能好，转矩

21、波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达低速性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达数千比一。数千比一。 具有以下缺点：具有以下缺点： 转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器 气隙大，安匝数多，效率低。惯量小、热容量较小，过载气隙大，安匝数多，效率低。惯量小、热容量较小，过载时间不能太长。时间不能太长。 由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总惯量中较大成份。负载转惯量发生变化时，影响系统的动态性惯量中较大成份。负载转惯量发生变化时，影响系统的动态性能。惯量匹配问题。能。惯量匹配问

22、题。 无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中，机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中，如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算机外围设备以及数控机床等方面都有应用实例。机外围设备以及数控机床等方面都有应用实例。 (2)空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机 空心杯电枢直流伺服电动机是一种转动惯量更小的直流伺服电空心杯电枢直流伺服电动机是一种转动惯量更小的直流伺服电动机，为动机，为“超低惯量伺服电动机超低惯量伺服电动机”。

23、低转动惯量，起动时间常数可达低转动惯量，起动时间常数可达1ms以下。转矩以下。转矩转动惯量比转动惯量比很大，角加速度可达很大，角加速度可达106rad/s2。 灵敏度高，快速性好，速度调节方便，始动电压在灵敏度高，快速性好，速度调节方便，始动电压在100mV以下以下 损耗小、效率高。效率可达损耗小、效率高。效率可达80%或更高。或更高。 绕组均匀分布，无齿槽效应，转矩波动小，低速平稳，噪声小绕组均匀分布，无齿槽效应，转矩波动小，低速平稳，噪声小 绕组的散然条件好，其电流密度可取到绕组的散然条件好，其电流密度可取到30A/mm。 转子无铁心，电枢电感很小，换向性能很好，提高使用寿命转子无铁心，电

24、枢电感很小，换向性能很好，提高使用寿命 空心杯形电枢直流伺服电动机输出功率从零点几瓦到几千瓦，空心杯形电枢直流伺服电动机输出功率从零点几瓦到几千瓦，多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、各种录单机、各种录单机、X-Y函数记录仪、数控机床等机电一化设备中。函数记录仪、数控机床等机电一化设备中。 2.低速大扭矩宽调速电动机低速大扭矩宽调速电动机 低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的基础上发展起来的一种新型电动机。相对于前面的小惯量电动机基础上发展起来的一

25、种新型电动机。相对于前面的小惯量电动机而言，大扭矩宽调速电动机具有下列特点：而言，大扭矩宽调速电动机具有下列特点： 高转矩高转矩转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应 高热容量，使电机在自然冷却全封闭条件下，仍能长时间过载高热容量，使电机在自然冷却全封闭条件下，仍能长时间过载 电机具有高转矩和低速特性使得它可与对象直接耦合电机具有高转矩和低速特性使得它可与对象直接耦合 电动机在大的加速度和过载情况下，有良好的换向。电动机在大的加速度和过载情况下，有良好的换向。 电动机具有足够的机械强度，保证有长的寿命和高的可靠性。电动机具有足够的机械强度，保证

26、有长的寿命和高的可靠性。 采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速大转矩时能承受最大峰值转矩。大转矩时能承受最大峰值转矩。 电动机内安装有高精度和高可靠性的反馈元件电动机内安装有高精度和高可靠性的反馈元件脉冲编码器脉冲编码器或多极旋转变压器和低纹波测速发电机。或多极旋转变压器和低纹波测速发电机。 3.两相异步电动机两相异步电动机 两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统中被广泛应用。控制方式分幅值控制和相位控制。中被广泛应用。控制方式分幅值控制和相位控制。 两相异

27、步电动机具有较宽的调速范围，本身摩擦力矩小，比两相异步电动机具有较宽的调速范围，本身摩擦力矩小，比较灵敏。具有杯型转子的两相异步机转动惯量小，因而快速较灵敏。具有杯型转子的两相异步机转动惯量小，因而快速响应特性好，常见于仪表随动系统中。响应特性好，常见于仪表随动系统中。 4.三相异步电动机三相异步电动机 三相异步电动机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、三相异步电动机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、串级调速、脉冲调速等。变频调速可获得比较平直的机械特串级调速、脉冲调速等。变频调速可获得比较平直的机械特性，调速范围比较宽但控制线路复杂。该调速方法目前已得性，调速范围比较宽但控制线路复

28、杂。该调速方法目前已得到广泛应用。工业中传统使用的是利用可控硅实现变压调速到广泛应用。工业中传统使用的是利用可控硅实现变压调速和串级调速，它只适用于线绕式转子的异步电动机。变压调和串级调速，它只适用于线绕式转子的异步电动机。变压调速和串级调速均在单向调速时采用，低速性能差且调速范围速和串级调速均在单向调速时采用，低速性能差且调速范围不宽。不宽。 与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻、与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻、价格便宜、维护简单。价格便宜、维护简单。 5.滑差电机滑差电机(亦称转差离合器亦称转差离合器) 滑差电机的主动部分由原动机带动作单向等速运转，用

29、直流控滑差电机的主动部分由原动机带动作单向等速运转，用直流控制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。其机械特性较分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。其机械特性较软，调速范围不大，低速性能较差，但控制线路简单。软，调速范围不大，低速性能较差，但控制线路简单。 6.步进电机步进电机 按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。其中反应式结构简单，按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。其中反应式结构简单，用得较为普遍。目前工业上多用于小功率场合，步进电机特别用得较为普遍。目前工业上多用于小功率场

30、合，步进电机特别适合于增量控制，在机床进刀系统中广泛采用。适合于增量控制，在机床进刀系统中广泛采用。 7.力矩电机力矩电机 力矩电机分直流和交流两种。它在原理上与他激直流电机和两力矩电机分直流和交流两种。它在原理上与他激直流电机和两相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适合于相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适合于低速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此低速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此它可以直接与控制对象相联而不需减速装置。它可以直接与控制对象相联而不需减速装置。 8.直流无刷电动机直流无刷电动机 直流电动机的优点是机械特性和调节特性

31、的线性度好，堵转转直流电动机的优点是机械特性和调节特性的线性度好，堵转转矩大矩大(力矩电机力矩电机)，控制方法简单，其缺点是有换向器和电刷。，控制方法简单，其缺点是有换向器和电刷。 两相伺服电动机的优点是没有换向器和电刷，缺点是机械特性两相伺服电动机的优点是没有换向器和电刷，缺点是机械特性和调节特性具有严重的非线性，转矩小，效率低。和调节特性具有严重的非线性，转矩小，效率低。 两者的结合，在现今已得以实现。两者的结合，在现今已得以实现。 这种电动机用电子换向开关电路和位置传感器代替电刷和换向这种电动机用电子换向开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，这使直流无刷电动机既具有直流电动机的机械特性，

32、调节特器，这使直流无刷电动机既具有直流电动机的机械特性，调节特性，又具有交流电动机的维护方便，运行可靠、没有电磁干扰等性，又具有交流电动机的维护方便，运行可靠、没有电磁干扰等优点。优点。 缺点是：结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转缺点是：结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转矩波动大，低速时转速的均匀性差。控制用无刷直流电动机包括矩波动大，低速时转速的均匀性差。控制用无刷直流电动机包括无刷直流伺服电动机和无刷直流力矩电动机。无刷直流伺服电动机和无刷直流力矩电动机。 二、伺服电动机的选择二、伺服电动机的选择 1、基本依据基本依据 （1）典型负载）典型负载 干摩擦力矩干摩擦力矩

33、 Mc= Mc sign (Nm) 惯性力矩惯性力矩 ML=JJ=J(d=J(d/dt/dt) ) (Nm) 粘性摩擦力矩粘性摩擦力矩 M = 2N (Nm) 重力力矩重力力矩 M G = GL (Nm) 弹性力矩弹性力矩 M K = K (Nm) 风阻力矩风阻力矩 Mf = f (Nm) （2）描述与定量分析）描述与定量分析 典型负载与其运动参数（典型负载与其运动参数（ ）有关，若对象运动有规）有关，若对象运动有规律，则可用简单数学形式来描述；律，则可用简单数学形式来描述； 多数被控对象的运动形态是随记得，工程采用近似方法，选多数被控对象的运动形态是随记得，工程采用近似方法，选取有代表性的工

34、况作定量分析；取有代表性的工况作定量分析；2 长期运行电机发热状态长期运行电机发热状态 短时超载短时超载 系统极限运动的承载能力系统极限运动的承载能力 根据动态性能要求检验电机的响应能力根据动态性能要求检验电机的响应能力 被控对象运动与电机运动是同时进行的，既要克服对象的负被控对象运动与电机运动是同时进行的，既要克服对象的负载，也要克服电机自身的负载。载，也要克服电机自身的负载。 （3）铭牌定量计算方法）铭牌定量计算方法 产品单位要用国际单位统一。产品单位要用国际单位统一。 a)力矩电机力矩电机 产品参数，以产品参数，以LY系列永磁力矩电机目录为例系列永磁力矩电机目录为例输出参数：输出参数：峰

35、值堵转力矩峰值堵转力矩Mmbl、最大空载转速、最大空载转速nm0(对应对应Um的实的实 际空载转速际空载转速)、连续堵转力矩、连续堵转力矩Mcbl；输入参数：输入参数：峰值堵转电流峰值堵转电流Imbl、峰值堵转电压、峰值堵转电压Um、连续堵转电流、连续堵转电流 Icbl和电压和电压Uc；电机参数：电机参数：电势系数电势系数Ce、转子转动惯量、转子转动惯量Jr、电磁时间常数、电磁时间常数Ti 计算公式计算公式0000()9 .5 5miem b lr cimimam b leemeUnCMMnnnURIKCKK理 想 空 载 转 速自 摩 擦 转 矩电 枢 电 阻电 机 反 电 势 常 数电 磁

36、 转 矩 常 数nM0inmblMcblM0nmUcU b)直流伺服电机直流伺服电机输出参数：输出参数：额定转矩额定转矩MR、额定转速、额定转速nR、额定功率、额定功率PR；输入参数：输入参数：电枢电流电枢电流IR、电枢电压、电枢电压UR、激磁电流、激磁电流If和电压和电压Uf；电机参数：电机参数：电枢转动惯量电枢转动惯量Jr、或转子飞轮转矩、或转子飞轮转矩计算公式计算公式2GD22:23 .8 2:9 .5 5 ()9 .5 54RRRRaRappRRRRaeRmeRRRRRrrcmRRUIPRIULnnnIUIRKnKKPPMnG DJMKIM电 枢 电 阻电 枢 电 感，极 对 数电 势

37、 常 数 ：电 磁 转 矩 常 数额 定 转 矩 ：转 动 惯 量 :自 身 摩 擦 力 矩 ： c)两相异步电机两相异步电机输出参数：输出参数：堵转转矩堵转转矩Mbl、空载转速、空载转速n0、额定输出功率、额定输出功率PR；输入参数：输入参数：频率频率f、 堵转电流堵转电流Ibl、 额定控制电压额定控制电压UR、 激磁电压激磁电压Uf、 每相输入功率每相输入功率P；电机参数：电机参数：电机时间常数电机时间常数Tm、极对数、极对数计算公式计算公式2001()29 .5 5(/ m in )9 .5 5(,/)Rb lRRRmb lrMMN mPnrMTMJkgmnra dsn单 位 2、单轴传

38、动执行电机选择、单轴传动执行电机选择 电机与负载直接对接（无减速器）电机与负载直接对接（无减速器）例例1：探测器方位角跟踪系统探测器方位角跟踪系统22lim21120 /120 /200 /200.14.44t0.5 ,mmmcssseMNmJKgmss最 大 跟 踪 角 速 度 :最 大 跟 踪 角 加 速 度 ：最 大 角 加 速 度 ：最 大 跟 踪 角 差 ：探 测 器 负 载 干 摩 擦 ：，零 初 始 状 态 下 ， 1(t)作 用 ， 要 求选 电 机 。222120 /1202.09/3602120 /1202.09/360mmsradssrads解 :（ 1） 换 算 单 位

39、22lim2200 /2003.5/36020220()0.005860360msradserad0(2)20 /min,25055,2002009.80.0119.64.044880 /min8.38/1301309.80.0112.742.6331.40.51/( /min)360mblmblmmcblmblcrrLYMkg cmN mIAUVnrrad sMkg cmN mIAUVVrJge选电机低速力矩电机，直接对接选其参数如下：最大空载转速：电势系数:C232360 100.01 9.80.03528cm skg m0(3)48 29.84/0.51 60miUnradse计算与校核

40、C理想空载转速; 006.4/cimUnnradsU 对应连续空载转速：0002221222()2.91()()21(0.1 2.9)(4.440.03528)2.0927.29mblrcimirmscrcrmMMnnNmnMMMJJNm检验电机发热，等效转矩(,)(2.09,7.29)mrmsM在连续堵转的机械特性附近，满足要求。0in0ncblMmblMnM9.846.419.612.74m2.09rmsM7.29mUcU1lim1()()(0.1 2.9)(4.44 0.03528) 3.5 18.66()25.22/()1.4,610t0.51220/tcrcrmblmblcrcmrM

41、MMJJNmMMMMrad seJJsrad skkcismcls以做运行，检验快速性要求，电机轴上承受总负载力矩检验执行电机相应频率一般才符合要求。，根据，满足要求。 例例2 小车在钢轨上运动，需要电机驱动，已知小车在钢轨上运动，需要电机驱动，已知: 小车满载重量：小车满载重量： G=500N，车轮半径：，车轮半径：R=0.2m 轨迹滚动摩擦系数：轨迹滚动摩擦系数：f=0.002要求：车速可逆，要求：车速可逆，vm=1.2m/s，am=0.2m/ss 系统最大误差：系统最大误差：m0.1m零初始状态，零初始状态，1(t)作用，作用，ts 3s，选电机直接驱动。，选电机直接驱动。解解（1）转换

42、）转换 直线运动转换为旋转运动直线运动转换为旋转运动22225000.22.049.8500 0.002 0.20.21.2606/657 /min0.220.21/0.20.10.50.2LcmmmmmmGJRKg mgMGfRN mvrad srRarad sReradR 车轮等效转动惯量：车轮摩擦转矩: （2）选电机）选电机 160LY55 直接连接，参数如下直接连接，参数如下:02320757.352.548130 /min13.6/52.55.151.7533.6868.43 1040.308 /( /min)48155.8( /min)16.30.308mblmblmmcblcbl

43、criemieMKg cmN mIAUVnrrad sMKg cmN mIAUVJg cm sKg mTmsCVrUnrC转子转动惯量：电磁关系：理想空载转速:00000/7.35()(16.3 13.6)1.2216.333.8155.8109 /min11.4/48mblmblimicimrad sMMnnN mnUnnrrad sU 电机摩擦力矩：连续空载转速： （3）校验）校验 检验发热温升检验发热温升 没有提出最大加速度要求，只在误差范围内考虑。没有提出最大加速度要求，只在误差范围内考虑。 动态性能（带宽）动态性能（带宽）0in0ncblMmblMnM16.311.47.355.15

44、m6rmsM2.02mUcU22212221()()21(1.220.2)(2.040.00843)122.02rmscrcrmMMMJJNm(,)(6,2.02)mrmsM在连续堵转的机械特性附近，满足要求。1()7.35 (0.2 1.22)2.4/()0.5 (2.020.00843)610t323.33/1.4tmblcrcmrMMMrad seJJsrad sksckcs，根据，不满足要求 在不增大电机外径的前提下，重新选电机。在不增大电机外径的前提下，重新选电机。160LYX020222122219.6548120 / min12.6/328.80.01521.221()()21(

45、1.220.2)(2.040.015)12.032(mblmblmicblcrimrcrcrmscrcrmmblcMN mIAUVnrrad sIAUVJKg mTmsnMMN mMMMJJN mMMk没有的参数，无法估计，考虑尺寸一样，认为不变。1)19.6(0.21.22)4.2/()0.5(2.040.015)610t323.33/1.4trcmrMrad seJJsrad ssckcs，根据，满足要求 3、多轴传动执行电机选择、多轴传动执行电机选择 m/ L=i1，力矩关系：，力矩关系：1/(i) 其中其中589.2w输入参数：输入参数：电枢电流电枢电流IR=8.2A ; 电枢电压电枢

46、电压UR=110V; 电压电压Uf=220V电机参数：电机参数：转子飞轮转矩转子飞轮转矩 =0.053 可得可得: 电枢转动惯量电枢转动惯量Jr= /4=0.01325估算：估算：2GD2Kg m2GD2Kg m21.05()29.55()0.387()0.387(/)9.552.9()0.273()RRRRaRRaeRmeRRRRRrcmRRUIPRIUI RKVsnKKNmAPPMNmnMKIMNm电 枢 电 阻 ：电 势 常 数 ：电 磁 转 矩 常 数 ：额 定 转 矩 ：摩 擦 力 矩 ： 传动比传动比传动装置采用三级圆柱齿轮和一级涡轮蜗杆传动，总效率为传动装置采用三级圆柱齿轮和一级

47、涡轮蜗杆传动，总效率为: 因为电机功率小，取传动转动惯量因为电机功率小，取传动转动惯量Jp=0.1Jr=0.001325 (3)验证验证 温升发热验证：温升发热验证：261.86230.42Rmi30.960.80.72Kg m22222222221()()214216394(0.273)(0.01325 1.1)6230.0875623 0.726230.71.586()2.9()cLrmsrcprmRMJMMJJiiiN mMN m所选电机满足发热要求。短时极限承受力验证短时极限承受力验证:动态频带验证动态频带验证: lim22()()1426394(0.273)(0.01325 1.1)

48、 623 0.0875623 0.76230.75.57()(35) 2.98.714.5()cLrcprRMJMMJJiiiN mMN m 可见，电机有足够的短期超载能力。取 =4。322681.2 ,58.33/142()4 2.9 (0.273)623 0.763945.23 10623 (0.01325 1.1)()6230.79.41(/ )1.411.66/scscRrckLmprkctsrad stMMMiJeiJJirad srad s =7，在其范围内，满足要求。例例4 小功率伺服系统，已知小功率伺服系统，已知:解解: (1)单位换算单位换算 (2)初选电机初选电机2222l

49、im2100 /1.745/100 /1.745/180 /3.14/20.0350.11.5t1 ,mmmcLsrad ssrad ssrad seradMN mJKg mss最大跟踪角速度:最大跟踪角加速度：最大角加速度：最大跟踪角差：负载干摩擦：，零初始状态下，1(t)作用，要求选电机。2()2(0.11.51.745)1.7459.54()RcLmmPMJW 选选f=400Hz两相异步电机两相异步电机70sL01，其参数如下，其参数如下:输出参数：输出参数：堵转转矩堵转转矩Mbl=1000gcm=0.098Nm 空载转速空载转速n0=4800r/min=502.6rad/s 额定输出功

50、率额定输出功率PR=16w9.54w输入参数：输入参数：频率频率f=400Hz、额定控制电压额定控制电压UC=115V 激磁电压激磁电压Uf=115v、激磁电流、激磁电流If=1.1A电机参数：电机参数：电机时间常数电机时间常数Tm=25ms=0.025s可求得可求得;62010.5 0.0980.04929.559.55 163100 /min324.6/0.0499.559.55 0.025 0.0984.87 10502.6RblRRRmblrMMN mPnrrad sMT MJKg mn传动比传动比传动装置采用四级圆柱齿轮传动，总效率为传动装置采用四级圆柱齿轮传动，总效率为: 取传动转

51、动惯量取传动转动惯量Jp和测速发电机和测速发电机Jc 折合到电机后，总转动惯量为折合到电机后，总转动惯量为 (3)验证验证 温升发热验证：温升发热验证：3 2 4 .61 8 61 .7 4 5Rmi40.960.85662224.87 109 74 10rJKg m.222222622221()()20.111.5()(9.74 10)1861.745186 0.8521860.850.014()0.049()rccLrmsrcprmRMMJMMJJiiiN mMN m较小，忽略。所选电机满足发热要求。短时极限承受力验证短时极限承受力验证:动态频带验证动态频带验证: lim262()()0.

52、11.5(9.74 10) 1863.141860.851860.850.036()0 098()cLrcprblMJMMJJiiiN mMN m .可见，电机有足够的短期超载能力。622681 ,68/0.1()0.098186 0.851.50.035 186 (9.74 10)()1860.8517(/ )1.48 414/scscblrckLmprkctsrad stMMMiJeiJJirad srad s = .，在其范围内，满足要求。伺服检测装置的选择伺服检测装置的选择 在伺服系统中，测量装置的作用是产生一个与被检测量等效在伺服系统中，测量装置的作用是产生一个与被检测量等效的电信号

53、的电信号(如直流电流、直流电压等如直流电流、直流电压等)，以控制系统工作。，以控制系统工作。 在信号的变化过程中，测量装置会给伺服系统带来误差。测在信号的变化过程中，测量装置会给伺服系统带来误差。测量装置自身的精度或分辩率对整个伺服控制系统精度的关系量装置自身的精度或分辩率对整个伺服控制系统精度的关系很大。很大。 对测量装置的主要要求：对测量装置的主要要求：(1)精度高，不灵敏区小，其误差比整个系统允许误差小得多；精度高，不灵敏区小，其误差比整个系统允许误差小得多；(2)被测量与电输出信号之间在给定工作范围内具有线性关系；被测量与电输出信号之间在给定工作范围内具有线性关系；(3) 要求输出信号

54、中所含干扰成分要小；要求输出信号中所含干扰成分要小；(4)输出信号应能在所要求的频带内准确地复现被测量，尽量避输出信号应能在所要求的频带内准确地复现被测量，尽量避免储能元件造成的动态滞后；免储能元件造成的动态滞后；(5)机电测量装置自身的转动惯量要小，摩擦转矩要小；机电测量装置自身的转动惯量要小，摩擦转矩要小；(6)测量装置输出的功率应足够高，以便能够不失真地传递信号测量装置输出的功率应足够高，以便能够不失真地传递信号和作进一步的信号处理；和作进一步的信号处理； 一、调速系统测量装置的选择一、调速系统测量装置的选择 调速系统需要测速反馈，测量输出角速度调速系统需要测速反馈，测量输出角速度并转换

55、为对应的电并转换为对应的电压信号，反馈回去与输入信号进行比较。压信号，反馈回去与输入信号进行比较。 要求测速元件低速输出稳定，纹波小，线性度好。要求测速元件低速输出稳定，纹波小，线性度好。 模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机 数字式测速元件，采用光电式脉冲发生器数字式测速元件，采用光电式脉冲发生器(亦称增量编码器亦称增量编码器) 介绍直流测速发电机，数字测速的原理和基本要求以及频率介绍直流测速发电机，数字测速的原理和基本要求以及频率/电压电压(F/V)变换器。变换器。 1、模拟测速元件、模拟测速元件直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机的型式直流

56、测速发电机的型式:永磁式、他励式永磁式、他励式 伺服系统对直流测速发电机的要求伺服系统对直流测速发电机的要求 a.输出电压和转速的特性线性度要好；输出电压和转速的特性线性度要好； b.输出特性的斜率要大；输出特性的斜率要大； c.温度变化对输出特性的影响要小；温度变化对输出特性的影响要小； d.输出电压的纹波要小；输出电压的纹波要小； e.输出特性的对称性要一致。输出特性的对称性要一致。 直流测速发电机的误差因素直流测速发电机的误差因素 理想的测速发电机其输出电压理想的测速发电机其输出电压Ug与其转轴的角速度与其转轴的角速度成正比成正比 Ug=Kg直流测速发电机的输出信号直流测速发电机的输出信

57、号Ug中，包含有纹波分量或无用信号中，包含有纹波分量或无用信号Un(rip)(t)，称为测速发电机的噪声。它由以下的各种因素所引起：，称为测速发电机的噪声。它由以下的各种因素所引起： 换向纹波换向纹波 是构成测速发电机噪声的主要部分，它由测速发电是构成测速发电机噪声的主要部分，它由测速发电机电刷和换向器之间相对运动引起的。在低速时影响尤为明显。机电刷和换向器之间相对运动引起的。在低速时影响尤为明显。 电枢偏心电枢偏心 它产生周期性的有害信号，其基波频率等于测速发它产生周期性的有害信号，其基波频率等于测速发电机的角频率。频率相对比较低，对系统是有害的。与换向纹波电机的角频率。频率相对比较低，对系

58、统是有害的。与换向纹波相比，通常是较小的。相比，通常是较小的。 高频噪声高频噪声 对噪声对噪声Un(rip)(t)影响的第三个因素是高频噪声或称影响的第三个因素是高频噪声或称“白噪声白噪声”。它主要的是电磁感应引起的。因为信号频率较高，。它主要的是电磁感应引起的。因为信号频率较高，可可以滤除掉，对系统影响不大以滤除掉，对系统影响不大。 直流测速发电机反馈的速度伺服系统测量装置的选择直流测速发电机反馈的速度伺服系统测量装置的选择 Kr代表速度给定电位器的转换系数，系统传递系数代表速度给定电位器的转换系数，系统传递系数K为为 12(1)(1)KT sT sRrKiUFKfuU101m axm ax

59、m inm in0 m in0 m in0 m inm axm axm axm inm in( )lim(/)( )(/)()(1)1sfFopdFsKradsVUsUuKVradsnDnnnnnDnK K 反 馈 系 数 ：系 统 调 速 范 围 ：静 差 率 ：=最 低 空 载 转 速开 环 和 闭 环 速 降 的 关 系 ： 测速发电机的线性关系测速发电机的线性关系 低速时电动势小，输出有低速时电动势小，输出有“死区死区”。 根据输出斜率根据输出斜率KF和电刷接触压降和电刷接触压降Ud，可估算，可估算u f=f()特性的不灵敏特性的不灵敏区区dead=ud/KF。 选择时，应使不灵敏区选

60、择时，应使不灵敏区deadmin 选定以后，选定以后，KF为已知值。可按稳态为已知值。可按稳态要求求出需要的增益要求求出需要的增益K值。一般值。一般K值比稳态要求的要高一些。值比稳态要求的要高一些。 K确定后，当系统输出达到最大速度确定后，当系统输出达到最大速度max时，需要的最大输时，需要的最大输入信号入信号Uimax为为 Uimax=KFmax+max/K 系统可逆运行时，给定电位器最大输出电压应等于系统可逆运行时，给定电位器最大输出电压应等于Uimax，则电位器的电源电压则电位器的电源电压UgUimax。 选择给定电位器和测速发电机要注意负载能力，使负载引起选择给定电位器和测速发电机要注