伺服系统设计

1、TCCRCUn2teeccUReCtC永磁直流电动机当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势e，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向总是相反，所以称为反电势，它与发电机中电动势的作用是不同的。PWMPWM放大器的优点放大器的优点是功率管工作在开关状态，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率(例如2000HZ)的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速，sonABU) 1Tt2(U)11 ()(2sTKsGivfvKsG)(3fpKsG)(41)(15sTksGisddddddEUiRdt

2、diLdtdCCEededdmdiCMdtdBdtdJMd22) 1()(26sTsTsKsGmddmedmdCCBRCKmedddCCBRJLTmedddmCCBRBLJRTdLdRBmCdTmTeCJ 杯形转子伺服电动机的结构图杯形转子伺服电动机的结构图11励磁绕组励磁绕组 22控制绕组控制绕组 33内定子内定子 44外定子外定子 55转子转子交流伺服电动机的接线图交流伺服电动机的接线图)1 ()1 (600snpsfn幅值控制原理图幅值控制原理图 不同控制电压下的不同控制电压下的 机械特性曲线机械特性曲线 由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率由右图可知，在一定负载转矩下，控

3、制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为速。这种维持与相位差为90，利用改变控制电压幅值大小来，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。改变转速的方法，称为幅值控制方法。 Zm0360Zm334013360360Zkm45 .km五、步进电机参数设计五、步进电机参数设计iM驱动器驱动器指令脉冲指令脉冲Z1Z2ip3602 2、最大静转矩、最大静转矩T Tmaxmax与相数、拍数与相数、拍数3 3、最高运行频率与速度关系、最高运行频率与速度关系

4、maxmaxfv350maxmaxvf4 4、转动惯量与加减速性能、转动惯量与加减速性能dtdJM5 5、电机负载转矩计算、电机负载转矩计算ipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00max6 6、等效转动惯量的计算、等效转动惯量的计算0281mdJ ldm242)(2pMJ 22)2(12pJJiJMsz22)2(121pJJiJJJMszzmd2)(vMJ 2RMJ 六、步进电机的驱动控制电路六、步进电机的驱动控制电路CLK六、步进电机的单片机控制六、步进电机的单片机控制脉冲分配脉冲分配典型的开环控制位置伺服系统是数控机床的伺服进给系统、数控x、y工作台、机器人的关节移

5、动等。其结构原理如图所示：PC机驱动器执行元件传动机构执行机构方案确定实质是对上述各构成环节的选择设计直线气缸摆动气缸气马达气爪继电器定时器电子元件计数器顺序控制器气动控制元件气源气源处理装置 压力控制阀 方向控制阀 流量控制阀 驱动装置 操作装置指示装置 检测装置控制(运算) 回路按扭开关选择开关按扭阀指示器计数器蜂鸣器限位开关限位阀接近开关传感器压力开关真空开关速度控制阀缓冲阀快速排气阀电磁阀气控阀人工换向阀机控换向阀减压阀增压阀安全阀空气压缩机过滤器油雾器油雾分离器驱动部分驱动部分控制部分控制部分检测部分检测部分 传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变

6、换和传递，伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的传动机构有： 丝杠螺母传动同步齿型带传动齿轮齿条传动直线电机传动最常用步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：采用同步齿型带传动丝杠：中心距较大通过减速器传动丝杠：减速器作用是配凑脉冲当量、转矩放大、 惯量匹配等通过联轴器直接相连：结构简单，可获得高速，对电机负载能 力要求较高 执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向机构，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即导轨的选择：滚动导轨气浮导轨、液体导轨塑料贴面滑动导轨dxJ21212121j

7、njjimiiJVME221ddxdxJE2112minjdjjdiidxJVMJEEdxdminjjjiitTtVFW11tddtTWdddWWdminjdjjdiidTVFT11nTdTddxgJTdgdTTTgdTTT55. 9maxmaxnTJTPPPddxd）（maxmaxnPPPpi360pPrpn/48075.036000mm01. 0inp25. 101. 04806npi2434401031.11321085. 71402 . 314. 332mkglDJs324bdJG241102 . 0mkgJG24210481. 0mkgJG2622102 .11)2(mkgipgWJ

8、W242211076. 7mkgiJJJJJSGwGemNWiPMf1146. 025. 18 . 014. 32106200006. 01123mNiPFMP13. 0)9 . 01 (325. 18 . 014. 32006. 02150)1 (222000n24107 . 9mkgJmmNtnJJJMamea6550. 3)60)0(2)(maxmaxmin/62536075. 001. 03000360maxmaxrvnbmNMMMMfaq8996. 30maxmNipFWFMyzt415.22)(mNMMMMtfc66. 2415. 213. 01146. 00mNMMMfk2246

9、. 013. 01146. 00425. 176. 77 . 91cmJJHzJJffmemL6 .11928 . 0116001LqfHzvf500001. 060300060maxLcfHzvf3 .83301. 06050060max1nnnnmmmmasasasabsbsbsbsG11101110)(js nnnnmmmmajajajabjbjbjbjG)()()()()()()(11101110)()()()()(jejGjvujGjs 其中，其中，)()()(22vujG)sin()(tXtx)()(arctan)(uv幅频特性幅频特性相频特性相频特性已知系统的频率特性，当系统的输

10、入为正弦信号时，已知系统的频率特性，当系统的输入为正弦信号时，容易求得输出为：容易求得输出为：)(sin()()(tjGXty)(lg20)(jGL)()(arctan)(uvoL180)(, 0)(oL180)(, 0)()(180)180()(gcoogcM)(lg20pcMAG四、开环伺服机械系统设计计算四、开环伺服机械系统设计计算根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取 =0.005-0.01mm/pulse 初选步进电机指：选择步进电机的类型和步矩角混合式：兼以上二者优点，但价格高反应式： 小、f 高、价格低，功耗大永磁式： 大、f 低，功耗小，断电后仍有制动力矩按产品样本中给

11、出的主要技术参数选用传动比公式：360pi 计算出的传动比较小时，采用一级齿轮传动或同步带传动传动比较大时，采用多级齿轮传动齿轮传动级数增加时，使齿隙和静摩擦增加，传动效率降低，故传动级数一般不超过3级。 传动级数的分配原则：传动比逐级增加（或前小后大原则），使输出轴转角误差最小。JJ23i电动机1J4i12J2221421321iiJiJJJJme413132dgBJJ42232dgBJ44432dgBJ4141212iddJJ41424344141434)/(iiiddddJJJJ 4112iJJ4114214)/( iiJiJJ)11 (41221211iiiiJJme01iJem214

12、12iiniiii321max)/(1maxnkknkikkni为选择步进电机动力参数及进行系统动态分析做基础圆柱体转动惯量计算公式：圆柱体转动惯量计算公式：324ldJ22)2(1(21pJJiJJJMszzmdipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00max5 . 03 . 0maxmsTT根据启动频率特性曲线：Tq 对应的 fqmax ，实际运行的fq fqmax根据运行频率特性曲线：TL 对应的 fmax ，实际运行的f fmax电机轴上的总等效转动惯量与电机轴自身的转动惯量应控制在：小惯量电机（Jm=0.00005kgm2）大惯量电机（Jm=0.1-0.6kgm

13、2） 141mdJJ31mdJJ比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车。通过减速传动比i和丝杠导程p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统图示图示 丝杠副传动系统的力学模型丝杠副传动系统的力学模型m2KBKCminKBRKNKNR传动系统的传动刚度为：传动系统的传动刚度为：NRNCBRBKKKKKK1111211minmin此公式计算的主要是此公式计算的主要是，而丝杠本身的，而丝杠本身的比拉压刚度大的比拉压刚度大的多，一般不予考虑多，一般不予考虑)/(324radmNlG

14、dKTG为切变摸量死区误差又称之为失动量，指启动或反向时，系统的输入与输出死区误差又称之为失动量，指启动或反向时，系统的输入与输出运动间的差值运动间的差值产生死区误差的原因产生死区误差的原因电气系统和执行元件的启动死区（不灵敏区）传动机构中的间隙导轨副间的摩擦力由综合拉压刚度而产生的死区误差：由综合拉压刚度而产生的死区误差：min0KFF为轴向负载力由于传动刚度变化引起定位误差为：由于传动刚度变化引起定位误差为：)11(max0min0KKFk对于开环系统对于开环系统)5131(k为系统允许的定位精度固有频率的计算公式为：固有频率的计算公式为：mKnminm m 是工作台质量或2131mmm工

15、作台丝杠五、开环伺服机械系统误差分析五、开环伺服机械系统误差分析步进电机的步距误差，一般在步进电机的步距误差，一般在 左右，突然启动时有滞后，左右，突然启动时有滞后， 停止时有超前，从整个系统的误差看，这一误差较小，通常忽略不计；停止时有超前，从整个系统的误差看，这一误差较小，通常忽略不计；51 齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差；齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差；滚珠丝杠副的轴向间隙产生误差，而且由于综合拉压滚珠丝杠副的轴向间隙产生误差，而且由于综合拉压 刚度不足，会产生传动误差；刚度不足，会产生传动误差；联轴器、齿型带传动和谐波齿轮传动等都会对系统造成联轴器、齿型带传动和谐波齿轮

16、传动等都会对系统造成 传动误差。传动误差。1、机械校正：、机械校正：提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转动惯量、提高传动刚度、提高固有频率等；动惯量、提高传动刚度、提高固有频率等；2、电子校正：、电子校正：反向死区补偿：反向死区补偿： 利用反向死区补偿电路调整拨码开关进行补偿，补偿电路利用反向死区补偿电路调整拨码开关进行补偿，补偿电路12341233 4 5 6 712345678丝杠侧螺母A 螺母B调整垫片预拉方向预拉方向预紧方向垫片预紧方向丝杠侧螺母侧丝杠侧螺母侧承载滚珠间隔钢球导程导程+导程丝杠侧螺母侧预拉方向预拉方向电

17、路具有自动判断方向的改变，并在反向时发出补偿命令的功能，补偿脉电路具有自动判断方向的改变，并在反向时发出补偿命令的功能，补偿脉冲可以达到几百个。冲可以达到几百个。例例: 测量得到的反向死区误差为测量得到的反向死区误差为0.016mm0.016mm，系统的脉冲当量为，系统的脉冲当量为0.005mm/pulse,0.005mm/pulse,试问拨码开关应预置到哪一档才能实现死区的补偿？试问拨码开关应预置到哪一档才能实现死区的补偿？数字仿真误差校正：数字仿真误差校正： 预先将误差的数学模型输入计算机，计算机一边输预先将误差的数学模型输入计算机，计算机一边输出工作指令，一方面计算误差，输出校正指令，形

18、成附加运动，用以校正出工作指令，一方面计算误差，输出校正指令，形成附加运动，用以校正位移误差。位移误差。反馈补偿误差校正：反馈补偿误差校正： 采用反馈补偿型的开环控制系统减小系统的误差，采用反馈补偿型的开环控制系统减小系统的误差，提高精度。提高精度。拨码开关应预置到拨码开关应预置到3 3档，消除误差为档，消除误差为 3 3* *0.005=0.015mm0.005=0.015mm反馈补偿型的开环控制系统原理如下：反馈补偿型的开环控制系统原理如下：步进步进电机电机M驱动器驱动器指令指令脉冲脉冲混合器混合器脉冲脉冲补偿补偿感应同步器感应同步器测试器测试器e=se=s机机-s-s电电补偿脉冲补偿脉冲

19、六、闭环伺服机械系统设计计算六、闭环伺服机械系统设计计算采用步进细分电路校正误差：采用步进细分电路校正误差： 实质上是减小了步进电机的步距角即角脉实质上是减小了步进电机的步距角即角脉冲当量，使转子达到新稳定点时的动能减小，振动减小，精度提高，特别冲当量，使转子达到新稳定点时的动能减小，振动减小，精度提高，特别是提高了低速时的平滑性。是提高了低速时的平滑性。交流伺服电机和直流伺服电机各有其有特点，根据系统要求确定，对于伺服进给系统而言，要求伺服电机具有：v调速范围宽且稳定，速比大，低速（0.1r/min）时,速度稳定性仍好；v负载特性硬（受负载冲击，速度稳定性好），过载能力强；v响应速度快，从零转速到1500r/min，时间在0.2s内，角加速度达400rad/s2v能够频繁启动、制动、反转、加减速等。德国：SIEMENS公司、INDRAMAL公司等 美国：AB公司、PARKER公司 法国：ALSTHOM公司 由实验可得到各种导轨的等价