第6章 伺服系统(6学时)

1、一、伺服系统基本概念一、伺服系统基本概念 6.1 6.1 概述概述1第六章第六章 伺服系统伺服系统电气控制装置电气控制装置机械执行机械执行装置装置执行元件执行元件传传感感器器图6.1 伺服系统组成二、伺服系统基本类型二、伺服系统基本类型 2表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式有电气、液压和气压等伺服驱动形式分为步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式适用范围：空压伺服、步进电机伺服、交流直流伺服、液压伺服3三、伺服系统基本要求三、伺服系统基本要求 影响伺服系统精度的因素：影响伺服系统精度的因素：minmaxnnRn应变能力 Rn要大，并且在该范围内，速

2、度稳定； 无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力 或力矩； 在零速时，伺服系统处于 “锁定锁定” ” 状态，即惯性小。4过载能力伺服电动机也应具有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是： （1）电动机从最低速到最高速的调速范围内能够平滑运转，转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象；（2）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分钟内过载46倍而不烧毁；（3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；(4)电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。5四、常见三种电气伺服驱动装置的特点：转角与数字脉冲成比例，可构成直接

3、数字控制构成廉价的开环系统控制系统控制较简单高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制换向器件需维护具有DC伺服电机的全部优点需要磁极位置检测器无接触换向器件，维护方便2、直流伺服、直流伺服电机(DC Servo Motor)3、交流伺服、交流伺服电机(AC Servo Motor)6两方面含义功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）WPPW功率密度指单位重量的输出功率：比功率指功率对时间微分：NNTTdtdTTdtddtdP)(因为，电机转动时的动力学方程为：dtdJTmN因此，比功率为：mNJTdtdP/21 6.2 6.2 步进电机伺服驱动步进电机伺服驱动一、步进电机工作原理一、步进电机工

4、作原理940360z，33 .139120m66 .269240n2334013360360Zkm45 .km二、步进电机的种类二、步进电机的种类按转子结构分为三种：反应式(VR，Variable Reluctance）：定子绕组励磁，转子铁芯永磁式(PM，Permanent Magnet)：定子绕组，转子为永磁体混合式(HB,Hybrid)：定子相同，转子为铁芯和永磁组成按励磁相数分：有三相、四相、五相等步进电机按运转方式分：有旋转式步进电机和直线式步进电机反应式步进电机利用磁阻转矩转动，结构简单，步矩角小，性价比高， 应用广泛，但动态性差永磁式步进电机用永久磁钢作

5、为电机混合式步进电机在永磁和变磁阻原理共同作用下，输出转矩大，步矩角 小结构复杂，成本高三、步进电机的性能参数三、步进电机的性能参数1、齿距角z：转子相邻两齿的夹角ZZ360Zkm360励磁绕组相数或代号励磁绕组相数或代号反应式反应式(BY-永磁式、永磁式、BYG-混合式混合式)步进电机步进电机电机外径（电机外径（mm)步进电机型号表示：四、步进电机的运行特性四、步进电机的运行特性sinmaxMMjqLMM最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值五、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Z1Z2ip360ip360maxmaxfv350maxmaxvf

6、dtdJMipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00maxipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00max2)(2pMJ 281mdJ ldm2422)2(121pJJiJJJMszzmd2)(vMJ 2RMJ 22)2(12pJJiJMsz六、步进电机的驱动控制电路六、步进电机的驱动控制电路8031P1.0P1.1P1.2功率放大器光电耦合器光电耦合器功率放大器步进电机ABC光电耦合器功率放大器VSRsVTwRCRVDLin123+5VRRRRTTRTTDDV +80VV +7V5HHLLH1R7423RCR6f113TLVV21环分11f2当一相

7、导通方波信号到来时，V2和V1同时为高电平，高低压管T1和TL同时导通，TH导通使高压电源UH加在二极管DL的负端上，反向偏置而截止。绕组电流由高压电源供电，此时相绕组电流有很陡的前沿，并迅速上升。但当V2过后，高压管TH截止，低压管TL继续导通，低压电源UL通过二极管DL对电动机绕组供电，使电动机绕组中保持一定的稳态电流。 VtVtt+UV+5RRVAAVVTR&VDininb12+-b312refw000iL高低压驱动电路的电流波形的波顶会出现凹形，造成高频输出转矩的下降。斩波驱动可更好地满足这一要求，并提高步进电动机的效率和力矩。 若VrefVf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉

8、冲，打开功率管VT；反之，Vref0时，VC+Vt对接地端是一个不对称三角波，平均值高于接地端，因此输出方波的正半周较宽，负半周较窄。VC越大，正半周的宽度越宽，直流分量也越大，所以电动机正向旋转越快。 6. 4 6. 4 交流伺服电机驱动交流伺服电机驱动一、交流伺服驱动系统组成一、交流伺服驱动系统组成由伺服电机和伺服驱动器组成包括永磁同步电机、鼠笼式异步电机采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系统按照伺服电机类型将交流伺服系统分为两大类：异步型交流伺服系统（IM）同步型交流伺服系统（SM）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统矩形波电流驱动的无刷直流伺服

9、系统二、异步交流伺服电机二、异步交流伺服电机转速公式：)1 (60sfnp00nnns其中：f为电源频率s为转差率p为极对数n0为同步转速：通常采取恒转矩调速：即在调速时，转矩维持在Tmax,气隙磁通也在maxfUCfECmaxf为加在定子绕组的电源频率E为定子绕组的电势C为常数其中：U为电机的外加电压当负载转矩一定时，通过调节控制电压的大小或相位达到改变电机转速的目的，有三种方式：fnp600 调节控制电压幅值大小，改变转速调节控制电压幅值大小，改变转速 调节控制电压的相位角，改变转速调节控制电压的相位角，改变转速 调节控制电压时，调节控制电压时，相位角随之改变，达到改变转速目的相位角随之改

10、变，达到改变转速目的转速和电磁转矩的关系曲线转速和电磁转矩的关系曲线转速和控制电压的关系曲线转速和控制电压的关系曲线图图3 3 交流电机的静态特性交流电机的静态特性控制绕组控制绕组励磁绕励磁绕组组控制电压不变时，输出功率和转速的关系曲线，控制电压不变时，输出功率和转速的关系曲线，是有最大值的抛物线，当堵转或空转时，输出是有最大值的抛物线，当堵转或空转时，输出功率为零，输出功率的最大值在功率为零，输出功率的最大值在n=55%nn=55%n空转。空转。外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，理论分析知，交流和直流伺服电机的传递函理论分析知，交流和直流伺服电机的传

11、递函数类似，因此，理想时，二者的动态性相似数类似，因此，理想时，二者的动态性相似 6. 5 6. 5 伺服机械传动系统设计伺服机械传动系统设计一、系统方案确定一、系统方案确定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、机器人的关节移动等。其结构原理如图所示：包括开环伺服传动系统设计和闭环伺服传动系统设计，重点介绍前者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 开环伺服系统中可以采用步进电机、液压伺服阀控制的液压马达和液压缸、气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等作为执行元件，其中步进电机应用最广泛，当负载能力不够时，考虑后者。 总之，要考

12、虑负载能力、调速范围、体积、成本等因素。 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

13、构方案的选择主要是指导向机构的选择，即二、开环伺服机械系统设计计算二、开环伺服机械系统设计计算导轨的选择：导轨的选择：滚动导轨滚动导轨气浮导轨、液体导轨气浮导轨、液体导轨塑料贴面滑动导轨塑料贴面滑动导轨包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等的选择和设计包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等的选择和设计根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取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 =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

14、点，但价格高混合式：兼以上二者优点，但价格高反应式：反应式： 小、小、f f 高、价格低，功耗大高、价格低，功耗大永磁式：永磁式： 大、大、f f 低，功耗小，断电后仍有制动力矩低，功耗小，断电后仍有制动力矩按产品样本中给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。计算时，按P104，级数选择曲线和传动比分配曲线为选择步进电机动力参数及进行系统动态分析做基础圆

15、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：根据启动频率特性曲线：T Tq q 对应的对应的 f fqmaxqmax ，实际运行的，实际运行的f fq q f fqmaxqmax根据运行频率特性曲线：根据运行频率特性曲线：T TL L 对应的对应的 f fmaxmax ，实际运行的，实际运行的f f f fmaxmax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：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

16、机（小惯量电机（J Jm m=0.00005kgm=0.00005kgm2 2）大惯量电机（大惯量电机（J Jm m=0.1-0.6kgm=0.1-0.6kgm2 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。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。通过减速传动比通过减速传动比i i和丝杠导程和丝杠导程p p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。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

17、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（不灵敏电气系统和执行元件的启动死区（不灵敏区）区）传动机构中的间隙传动机构中的间隙导轨副间的摩擦力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 F为轴向负载力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工作台丝杠三、开环伺服机械系统误差分析三、开环伺服机械系统误

18、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传动等都会对系统造成 传动误差。传动误差。1、机械校正：、

19、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

20、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

21、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四、闭环伺服机械系统设计计算四、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

22、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：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（调速范围宽且稳定，速比大，低速（0.1r/min0.1r/min）时）时, ,速度稳定性仍好；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；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，从零转速到响应速度快，从零转速到1500r

23、/min1500r/min，时间在，时间在0.2s0.2s内，角加速度达内，角加速度达400rad/s400rad/s2 2v能够频繁启动、制动、反转、加减速等。能够频繁启动、制动、反转、加减速等。德国：德国：SIEMENSSIEMENS公司、公司、FANUCFANUC公司等公司等 美国：美国：ABAB公司、公司、PARKERPARKER公司公司 法国：法国：ALSTHOMALSTHOM公司公司 由实验可得到各种导轨的等价阻尼比，同时考虑系统的速度、稳定性、由实验可得到各种导轨的等价阻尼比，同时考虑系统的速度、稳定性、润滑、材料等。润滑、材料等。静压导轨：静压导轨：0.020.02滑动导轨：滑

24、动导轨：0.02-0.30.02-0.3滚动导轨：滚动导轨：0.02-0.050.02-0.05n根据控制精度及系统稳定性的要求，一般取根据控制精度及系统稳定性的要求，一般取 k= k= 8 815/s15/s由系统增益和导轨阻尼比，初步确定满足系统稳定性要求所需的机械传由系统增益和导轨阻尼比，初步确定满足系统稳定性要求所需的机械传动链固有频率动链固有频率 为：为：n2kn五、丝杠工作台的简化模型五、丝杠工作台的简化模型这一环节的计算与开环系统类似，主要包括：这一环节的计算与开环系统类似，主要包括： v机械传动方案选择；机械传动方案选择；v初选丝杠直径；初选丝杠直径；v计算总传动比；计算总传动

25、比；v计算等效转动惯量，并验算惯量匹配；计算等效转动惯量，并验算惯量匹配；v计算传动系统综合拉压刚度，并计算固有频率，校验是否满足系统对计算传动系统综合拉压刚度，并计算固有频率，校验是否满足系统对 固有频率的要求。固有频率的要求。 计算出某项不符合要求时，重新设计计算。计算出某项不符合要求时，重新设计计算。图示图示 丝杠工作台系统的动力学模型丝杠工作台系统的动力学模型mKxcy动力学平衡方程为:0)(22xykdtdycdtdym式中:m 是丝杠工作台的等效集中质量2131mmmc 是丝杠工作台导轨的粘性阻尼系数k 是丝杠螺母机构的综合拉压刚度y 是工作台的实际位移x 是电机转角折算到工作台的

26、等效位移，即指令位移对上式拉氏变换,得系统传递函数:kcsmsksXsYsG2)()()(化简成二阶系统的标准形式为:2222)(nnnsssG令mkn2mcn2mknmkc2n为丝杠工作台系统的固有频率为丝杠工作台系统的固有频率为系统纵向振动阻尼比为系统纵向振动阻尼比(即粘性阻尼系数与临界阻尼系数之比即粘性阻尼系数与临界阻尼系数之比)影响系统动特性的主要参数是影响系统动特性的主要参数是 和和 ，由，由 k、m、 c 决定。决定。n设计举例设计举例n设计一步进电机开环控制的系统，已知系统的脉冲当量为设计一步进电机开环控制的系统，已知系统的脉冲当量为0.01MM,0.01MM,采用步进电机直接联

27、丝杠的驱动方式采用步进电机直接联丝杠的驱动方式. .丝杠的螺距为丝杠的螺距为6MM,6MM,试问试问: :（1010分）分）（1 1）步进电机的步距角选多大为佳）步进电机的步距角选多大为佳? ?（2 2）当采用五相十拍的混合步进电机时）当采用五相十拍的混合步进电机时, ,如果要使工作台的移动如果要使工作台的移动速度达到速度达到2 2米米/ /分分, ,步进电机的运行频率是多少步进电机的运行频率是多少? ?（3 3）如果选定的步进电机矩）如果选定的步进电机矩- -频特性见下表频特性见下表, ,当系统等效到电机当系统等效到电机轴的负载转矩为轴的负载转矩为3.5N.M3.5N.M时时, ,该电机能否

28、以该电机能否以(2)(2)所求得的运行频所求得的运行频率顺利启动率顺利启动? ?如果不可以在不改动所选择的电机情况下可以如果不可以在不改动所选择的电机情况下可以采取哪些措施来满足要求采取哪些措施来满足要求? ?F（HZ）0-1000150020002500300035004000T（N.M)65.54.543.532.5n解：（1）n步距角选小于0.60为好.n(2) n(3)根据所给表格数据,当电机以3333HZ频率运行时,所对应输出力矩在3-3.5NM之间,改值小于负载转矩(3.5NM),所以电机不能顺利启动.6 . 0601. 0360)(33336 . 0200001. 0602100

29、0601000maxmaxHZvfn可以采取的有效措施有:n(A)采取降频启动,根据上表,当启动频率小于2500HZ时,启动力矩大于3.5NM,此时可以保证顺利启动,然后再加速至3333HZ,此时由于加速度减小,等效负载力矩会降低.n(B)在电机和丝杠轴之间增加一对减速齿轮,传动比可以取为1/2,这样等效负载转矩会相应减为原来1/2,从而可以顺利启动.齿盘式分度工作台是数控机床和其他加工设备中应用很广的一种分度装置。它既可以作为机床的标准附件，用T形螺钉紧固在机床工作台上使用，也可以和数控机床的工作台设计成一个整体。齿盘分度机构的向心多齿啮合，应用了误差平均原理，因而能够获得较高的分度精度和定心精度（分度精度为0.53s）。 1-分度工作台 2、4、15、18-