机电一体化系统设计04(伺服系统)

1、第三章 伺服系统设计伺服系统设计 在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定的准确度在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化为变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。跟随输入量的变化为变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地连续地，它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地连续地，精确地复现输入指令的变化规律。其组成如下图：精确地复现输入指令的变化规律。其组成如下图：伺服系统的基本要求：稳定性;-固有特性 精度及系统误差；-动态、稳态、静态快速响应性及调速范围常用的电力电子器件常用的电力电子器件:晶闸管晶闸管 导通条件

2、是指晶闸管从阻断到导通所需的条件。这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极上加上正向电压。关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需的条件。晶闸管一旦导通，控制极就对晶闸管不起作用了。只有当流过晶闸管的电流小于晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。SCR的控制信号和输出波形G+，导通G-，截止复合晶体管，电流放大系数大电压控制，输入阻抗高，抗过载，抗干扰电容作用伺服系统中的执行元件三种电机驱动的特点：转角与数字脉冲成比例，可构成直接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无接触换向器件，维护方便3.

3、1 步进电动机驱动及其控制1. 1. 步进电动机的特点：步进电动机的特点：步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。转角与脉冲，速度与频率成正比，运动方向与通电顺序相关。定位精度高，且无累积误差。转换速度慢，毫秒级与一般的伺服电机比较：可以直接实现数字控制，在开环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会累积。步进电机的种类步进电机的种类2. 2. 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理，错齿产生力矩，错齿产生力矩，是助使步进电机是助使步进电机旋转的根本原因。旋转的根本原因。11360360360*46124*334013360360Zkm3603603 2

4、 401.5mkZ v五相步进电机 步距角及步距精度 步进电动机定子绕组通电状态每变一次，转子转过的角度，常用数控机床为0.53，步距角小，加工精度高。 步距精度指理论步距角与实际步距角之差，以分表示。主要是由步进电机齿距制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀造成的。3. 步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性 启动频率与惯频特性步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行所允许的最高频率。与负载的转动惯量有关 运行频率与矩频特性步进电机由转子运行的过渡过程尚未达到稳定值时产生的转矩，即某一频率下的最大负载转矩。与电磁常数有关。 矩角特性空载时，若步进电机某相通以直流电流，则该

5、相对应的定、转子齿槽对齐。此时转子上无力矩输出。如果此时在电机轴上加一负载力矩M，则转子要相应力矩的方向转一个角才能重新稳定下来，此时转子上的电磁力矩Mj与负载力矩M相等。 Mj称为静态力矩， 称为失调角。 Mj =f()称为矩角特性。近似正弦。sinmaxTTjMjmax为最大静态力矩，曲线A和B的交点Mq是电机运行状态的最大启动启动力矩。步进电机控制信号的产生步进电机控制信号的产生4. 4. 步进电动机控制驱动步进电动机控制驱动硬件环分软件环分+ 功率驱动YB014MOV P1,R0INC R0MOV A,R0CJNE A,#5DH,RE1MOV R0,55HRE1:RETI/主程序MOV

6、 R0,55H 55H:DB 0EEH,0CCH,0DDH,99H,0BBH,33H,77H,66H单电压驱动及其改进a)图（a）中，Ra为电动机一相绕组内阻，L为其电感，VT是大功率管，Rc是外接电阻，VD是续流管。由于caRRLRa很小，如不接Rc，则时间常数大，VT由截止变为导通时，电流上升慢，影响启动频率。串接Rc可减小时间常数，使脉冲电流的前沿变陡，从而改善频率响应。但Rc使整个系统效能降低。b)图（b）在外接电阻Rc上并接一个电容（与加速电容作用相同），改善注入电流脉冲前沿状况。增加注入绕组的平均电流值。（开始电阻相当于被短接）。c)图（c）在VD支路加接泄放电阻R，减少时间常数，

7、使脉冲电流的后沿变陡，有利于提高电机的高频性能，但使低频变坏，对转子阻尼变弱，易引起低频共振区运行不平稳。高低压驱动（用得广泛）+80V+12V如图，则在t1t2时间内，VT1、VT2均饱和导通，+80V的电源经VT1、VT2管加到电机绕组L上，使其电流迅速上升，当时间达到t2， VT2截止，电机绕组电流由+12V经VT1维持，此时电机电流下降到额定值，直到t3 ， VT1截止，绕组电流经高压源E1，地，E2，V2放电，下降到零。优点：功耗小，启动力矩大，工作频率高。缺点：大功率管数量多，增加驱动电源成本。 恒流斩波驱动电路电流取样电阻电压比较器参考值设定 由于步进电机转子本身惯量大，尤其带了

8、负载后，启动频率将会大大下降。为使步进电机能在较高的频率下工作，可对其升降速度进行控制，使脉冲信号能按一定的规律升频和降频。5. 5. 步进电动机自动升降速控制步进电动机自动升降速控制工作原理：工作原理： 设Pa为控制脉冲，其频率为fa，Pb为实际送入电机的工作脉冲，其频率为fb。 Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器。同步器的作用在于保证不丢失Pa和Pb ，并使Pa送入可逆计数器时作加法，Pb送入可逆计数器时作减法，可逆计数器记下的是控制脉冲与实际脉冲之差N，将此数通过数字电位器转换成电阻值R的变化，进而改变振荡频率。v电路设计成平滑系统，当输入量fa为阶跃值时，输出量fb是缓慢变化的，从而达

9、到自动升降速的目的。v只有当N不为零时，才有输出脉冲。v在进给开始时， fa fb，振荡器频率低，反馈脉冲小于输入脉冲，N增大， fb逐渐增大，经过t时间， fa= fb，N不变，升速结束。进入恒速。到达终点， fa=0 fb ，N减少， 振荡器频率降低，fb 逐渐减少，直到N=0，振荡停止，步进电机停止工作。v常用的升降速规律图a为线性升降速，以恒定的加速度，容易实现，方法简单，但加速时间较长。图b为指数曲线，由步进电机的矩频特性推导来，符合电机加减速规律，快速响应好，缩短了升降速时间。图c为抛物线，这种方法充分利用步进电机低速时的有效转矩，升降速时间大大缩短。v运动控制系统步进电机伺服系统

10、设计步骤1、脉冲当量的选择2、等效负载转矩计算 空载摩擦转矩Tlf 加工时的负载转矩TL3、等效转动惯量计算 滚珠丝杠的Js， 工作台运动换算到电机轴上的Jw 大齿轮和小齿轮的Jg4、初选步进电机型号 5、速度的验算 快进和工进速度21,360zliiz3.2 直流伺服电动机驱动及其控制1.1.直流伺服电动机的特点：直流伺服电动机的特点： 响应速度高、精度高、响应速度高、精度高、调速范围广、控制特性优调速范围广、控制特性优良。良。 其原理与普通直流电机其原理与普通直流电机相同，由磁极、电枢、电相同，由磁极、电枢、电刷和换向片组成。但外形刷和换向片组成。但外形细长，转动惯量小，以满细长，转动惯量

11、小，以满足快速响应的要求。足快速响应的要求。基本结构2.2.控制方式：控制方式：图5.52 直流电机模型根据上式，控制方式有根据上式，控制方式有a2(1)(2)(3)(4)kaaaaetakee tUEI REcnTcIUTRncc c电枢电压电枢反电势电磁转矩转速因此，有三种调速方法： （即恒转矩调速）：不同的转速时， （即恒功率调速）：不同的转速时， 即恒功率调速），如主轴伺服驱动，在额定转速以下为恒转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速.constITL如进给伺服系统如小惯量高速伺服系统.constIP3.3.直流伺服电动机的特性：直流伺服电动机的特性： 机械特性：电压恒定时，机械特性：电

12、压恒定时，电动机转速随负载转矩电动机转速随负载转矩变化的关系。变化的关系。1)1)当当T=0T=0时，时，n0n0为理想空载为理想空载转速。转速。2)2)当当n=0n=0时，时，T T为启动转矩为启动转矩或堵转转矩。许多工程或堵转转矩。许多工程机械如电铲就工作于堵机械如电铲就工作于堵转转矩转转矩 机械特性2kkee tUTRnccc4.4.直流伺服系统直流伺服系统用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统。常用的有晶闸管统。常用的有晶闸管- -直流电机调速系统和直流电机调速系统和大功率晶体管脉宽调制大功率晶体管脉宽调制(PWM)(PWM)调速系统。调速系统。4.

13、1 4.1 晶闸管晶闸管- -直流电机调速系统直流电机调速系统1)1)组成：转速调节器组成：转速调节器ASRASR、电流调节器、电流调节器ACRACR、测速发电机测速发电机TGTG、电流互感器、电流互感器TATA、晶闸管触、晶闸管触发器发器ATAT、晶闸管、晶闸管URUR及伺服电动机。及伺服电动机。直流伺服系统为消除系统静差并提高系统的快速响为消除系统静差并提高系统的快速响应，常采用应，常采用PIPI调节器作为转速调节器调节器作为转速调节器ASRASR和电流调节器和电流调节器ACRACR。PIPI调节器的特调节器的特性：性：比例积分调节器输出电压输出电压u uscsc第一部分是比例部分，在输第

14、一部分是比例部分，在输入电压入电压u usrsr加上的瞬间加上的瞬间,C,C1 1相当于短路，此时相当于短路，此时只相当于比例调节器，输出电压只相当于比例调节器，输出电压u uscsc=K=Kp pu usrsr，毫无延迟，调节速度快。第二部分是积分部毫无延迟，调节速度快。第二部分是积分部分，随着分，随着C C1 1充电，不断上升，上升快慢取决充电，不断上升，上升快慢取决于于i i。正因为这种积累、保持特性，所以。正因为这种积累、保持特性，所以能消除静态误差。能消除静态误差。PIPI调节器饱和后，将维持调节器饱和后，将维持输出值恒定，只有超调，也就是输入为负，输出值恒定，只有超调，也就是输入为

15、负，才能退出饱和。才能退出饱和。dtuuKusrisrpsc12)2)双闭环调速系统的静态特性双闭环调速系统的静态特性(1)(1)系统正常运行时，两个调节器都不饱和，系统正常运行时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都为零。稳态时，它们的输入偏差电压都为零。LiinnIUUnUU*由于由于ASRASR不饱和，则不饱和，则I IL LI I IN N （额定电流）。在（额定电流）。在两个调节器均不饱和两个调节器均不饱和时运行于右图静特性时运行于右图静特性n n0 0-A-A段：段：(2)(2)转速调节器饱和，转速调节器饱和，ASRASR输出达到限幅值，输出达到限幅值，转速外环开环，转

16、速变化对系统不产生影响，转速外环开环，转速变化对系统不产生影响，此时只有电流环（内环）起作用。此时：此时只有电流环（内环）起作用。此时：LmimLIUI*I ILmLm为设计最大电流。它决定于电动机允许的为设计最大电流。它决定于电动机允许的过载时的最大电流，在转速过载时的最大电流，在转速nnnIIL L, ,转速还会上升，当其相等时，转速还会上升，当其相等时，转速达到峰值，然后开始减速，最后稳定转速达到峰值，然后开始减速，最后稳定在在n n* *. .双闭环调速系统动态结构图直流伺服电机模型晶闸管模型E(s)与n关系3)3)双闭环调速系统的特点双闭环调速系统的特点(1)(1)起动过程主要为恒流

17、（以允许的最大过载起动过程主要为恒流（以允许的最大过载电流）升速。起动时间短。电流）升速。起动时间短。(2)(2)采用采用PIPI调节，必然有超调，使调节，必然有超调，使PIPI调节器退调节器退出饱和。出饱和。(3)(3)具有良好的动态性能，响应快。具有良好的动态性能，响应快。(4)(4)具有良好的抗干扰性能：具有良好的抗干扰性能：ASRASR抗负载扰动，抗负载扰动，ACRACR抗电网波动。抗电网波动。4.2 4.2 直流脉宽调制直流脉宽调制(PWM)(PWM)调速系统调速系统近年发展迅速，优点：主电路简单，功率元件近年发展迅速，优点：主电路简单，功率元件少，开关频率高，电流易于连续，损失小，

18、低少，开关频率高，电流易于连续，损失小，低速性能好，调整范围宽等。速性能好，调整范围宽等。1) 1) 电压，脉宽变换原理。电压，脉宽变换原理。组成：三角波（锯齿波）发生器、加法器和比组成：三角波（锯齿波）发生器、加法器和比较器组成。较器组成。H H型桥式型桥式PWMPWM晶体管功率放大电路图：晶体管功率放大电路图：3 3种工作状态：种工作状态：( (视脉宽调压视脉宽调压) )(1)(1)当当U UI I=0=0时，时，U Us s的正负脉宽相等，直流分量的正负脉宽相等，直流分量为零，但在交流分量的作用下，电机在停为零，但在交流分量的作用下，电机在停止位置处微振，动力润滑，减少静磨擦，止位置处微

19、振，动力润滑，减少静磨擦，减少起动阻力。减少起动阻力。(2)(2)当当U UI I00时，时，U Us s的正脉宽的正脉宽 负脉宽，直流分负脉宽，直流分量大于零，正转，转速上升。量大于零，正转，转速上升。(3)(3)当当U UI I00时，时，U Us s的正脉宽的正脉宽 负脉宽，直流分负脉宽，直流分量小于零，反转，反转转速上升。量小于零，反转，反转转速上升。脉宽调制单元调制波发生器逻辑延时限流保护基极驱动器双闭环脉宽调速系统原理框图直流伺服系统设计计算原则： 惯量匹配：大惯量：0.25=Jel/Jm=1 等效转矩Trms：一个工作循环内所需电动机转矩的均方根值。 v直流永磁无刷电机3.3 交

20、流伺服电动机驱动及其控制1.1.交流伺服电动机的特点：结构：空间互成交流伺服电动机的特点：结构：空间互成9090度度电角度两绕组，源绕组接电源，控制绕组接电角度两绕组，源绕组接电源，控制绕组接控制电压。常见形式控制电压。常见形式有鼠笼形和杯形，前有鼠笼形和杯形，前者紧凑，性能优良，者紧凑，性能优良，但惯量大，后者惯量但惯量大，后者惯量小，无齿槽，运转平小，无齿槽，运转平稳，但气隙大，励磁稳，但气隙大，励磁电流大，效率低，体电流大，效率低，体积大。积大。2.2.交流伺服电动机的控制交流伺服电动机的控制交流伺服与单相感应电机工作原理相同，但性交流伺服与单相感应电机工作原理相同，但性能不同，单相感应

21、电机利用自转工作，而交流能不同，单相感应电机利用自转工作，而交流伺服必须消除自转。伺服必须消除自转。消除自转的原理：由单相感应电机工作原理知，消除自转的原理：由单相感应电机工作原理知，其力矩曲线为正反两个旋转磁场产生的力矩之其力矩曲线为正反两个旋转磁场产生的力矩之和，消除自转，只需使力矩之和为负即可，也和，消除自转，只需使力矩之和为负即可，也就是增加转子电阻，当电阻足够大时，合力矩就是增加转子电阻，当电阻足够大时，合力矩始终与转向相反，为制动转矩。如下图所示：始终与转向相反，为制动转矩。如下图所示：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： 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 调节控制电压时，相位角随之改变，达到改变转速目的控制绕组励磁绕组3.3.交流伺服系统交流伺服系统1)1)交流变频调速原理及特性交流变频调速原理及特性已知异步电动机的转速方程：已知异步电动机的转速方程：)1()1(6001snspfn可知：改变频率可改变同步转速，实现调速。可知：改