第2章：伺服系统的稳态设计课件

1、第二章 伺服系统的稳 态 设 计 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1

2、伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第二章 伺服系统的稳态设计2.1 设计概述 速度控制系统和位

3、置控制系统的共同特点是：通过系统的执行元件直接或经机械传动装置带动被控对象，完成要求的机械运动。 因此工程上对它们的技术要求，主要是围绕着机械运动的规律和运动参数的要求。2.1 设计概述 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3）

4、 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装

5、 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第二章 伺服系统的稳态设计2.1.1 速度控制系统通常的技术要求 速 度 调 节 要 求 ：可 逆 性 要 求：单 向 调 速、可 逆 调 速平 滑 性 要 求：有 级 调 速、无 级 调 速连续性要求：调速是连续的还是容 许 有 间 歇 的 。2.1 设计概述2.1.1 速度控制系统通常的技术要求 2. 系 统 输 出 轴 要 求 ：最 大 转 速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s)最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s)

6、调 速 范 围 D：2.1 设计概述2.1.1 速度控制系统通常的技术指标要求 3. 系 统 输 出 轴 上 负 载 力 矩 变 化 时 ，控 制 精 度 技 术 指 标 ：转 速 降 n（ ）：n = n0 n 其 中：n0 - 控 制 信 号 一 定 的 情 况 下 ， 理 想 的 空 载 转 速 n - 控 制 信 号 一 定 的 情 况 下 ， 满 载 时 的 转 速静 差 率 ： = 2.1 设计概述2.1.1 速度控制系统通常的技术要求 4. 阶 跃 输 入 下 系 统 的 动 态 响 应 特 性 ：最 大 超 调 量 %调 节 时 间 ts：偏 差 在 5 或 2 范 围振 荡

7、次 数 N2.1 设计概述2.1.1 速度控制系统通常的技术要求 5. 负 载 扰 动 下 的 动 态 响 应 特 性 ： 阶 跃 扰 动 或 脉 冲 扰 动 下 ，最 大 转 速 降 nmax(或max或Vmax)调 整 时 间 tsf 2.1 设计概述2.1.1 速度控制系统通常的技术要求 6. 其 它 要 求 ：工 作 制 的 要 求 ：长 期 连 续 运 行 制 、间 歇 运 行 制 、 短 时 运 行 制 。系 统 可 靠 性 要 求 ：通 常 用 连 续 运 行 无 故 障 时 间 来 衡 量 。使 用 寿 命使 用 环 境 条 件 ：环 境 温 度 、湿 度 、振 动 、抗 冲

8、击 、防 水 、防 化 、防 辐 射 、电 源 条 件 的 限 制经 济 性 要 求 ：生 产 成 本 、标 准 化 程 度结 构 型 式 要 求 ：体 积 、质 量 、安 装 特 点 等2.1 设计概述 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择

9、（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.

10、6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第二章 伺服系统的稳态设计2.1.2 位置控制系统通常的技术要求 速 度 调 节 要 求 ：平 滑 性 要 求：有 级 调 速、无 级 调 速可 逆 性 要 求：单 向 调 速、可 逆 调 速连续性要求：调速是连续的还是容 许 有 间 歇 的 。2.1 设计概述2.1.2 位置控制系统通常的技术要求 2. 系 统 输 出 轴 要 求 ：最 大 转 速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s)最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、

11、Vmin(m/s)调 速 范 围 D：2.1 设计概述2.1.2 位置伺服系统通常的技术要求 3. 系 统 静 误 差 es ( 系 统 静 差) 随动系统通常设计成无静差系统，当系统静止协调时，没有位置误差。但实际系统存在非线性因素，如：测角元件的分辨率有限、系统输出端机械运动部分存在干摩擦等等，都将给系统造成一定 的 静 误 差 。2.1 设计概述2.1.2 位置控制系统通常的技术要求 4. 阶 跃 输 入 下 系 统 的 动 态 响 应 特 性 ：最 大 超 调 量 %调 节 时 间 ts：偏 差 在 5 或 2 范 围振 荡 次 数 N2.1 设计概述2.1.2 位置控制系统通常的技术

12、要求 等 速 跟 踪 时，负 载 扰 动 下 的 动 态 响 应 特 性 ：最 大 误 差 角 em f过 渡 过 程 时 间 tsf 2.1 设计概述2.1.2 位置控制系统通常的技术要求 6. 系 统 跟 踪 状 态 下 的 误 差 指 标 ：速度误差ev最大正弦误差em相 对 精 度 指 标 ： 速 度 品 质 系 数 Kv: (1/s) 加 速 度 品 质 系 数 Ka: (1/s2) 2.1 设计概述2.1.2 位置控制系统通常的技术要求 7. 频 率 响 应 特 性 指 标 要 求振 荡 指 标 Mp: 位 置 伺 服 系 统 闭 环 幅 频 特 性 A ( p ) 的 最 大 值

13、 与 A(0) 的 比 值 ；(一 般 位 置 伺 服 系 统 无 静 差 ：A(0)=1 )频 带 宽 度 b: 闭 环 幅 频 特 性 A(b) = 0.707 时 的 角 频 率。相 角 储 量 2.1 设计概述2.1.2 位置控制系统通常的技术要求 8. 其 它 要 求 ：工 作 制 的 要 求 ：长 期 连 续 运 行 制 、间 歇 运 行 制 、 短 时 运 行 制 。系 统 可 靠 性 要 求 ：通 常 用 连 续 运 行 无 故 障 时 间 来 衡 量 。使 用 寿 命使 用 环 境 条 件 ：环 境 温 度 、湿 度 、振 动 、抗 冲 击 、防 水 、防 化 、防 辐 射

14、、电 源 条 件 的 限 制经 济 性 要 求 ：生 产 成 本 、标 准 化 程 度结 构 型 式 要 求 ：体 积 、质 量 、安 装 特 点 等2.1 设计概述 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行

15、 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与

16、 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第二章 伺服系统的稳态设计2.1.3 伺服系统的设计步骤一、调 研 1. 选 定 伺 服 系 统 各 部 件 型 号 ； 2. 确 定 各 部 件 间 接 口 方 式 ； 3. 选 择 伺 服 系 统 的 控 制 方 案 ； 4. 确 定 伺 服 系 统 的 主 干 线 路 、辅 助 线 路 及 电 源二、理 论 设 计 1. 稳 态 设 计 负 载 分 析 计 算 选 择 执 行 电 机 选 择 检 测 元 件 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择 电 源 设 备 等

17、装 置 的 设 计 和 选 择 2. 传 递 函 数 的 推 导 3. 动 态 设 计 希望 特 性 的 绘 制 设 计 校 正 环 节三、调 试2.1 设计概述 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元

18、 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选

19、 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第二章 伺服系统的稳态设计2.2 负载的分析计算2.2.1 几种典型负载 直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动干 摩 擦 负 载粘 性 摩 擦 负 载惯 性 负 载干 摩 擦 力 Fc （N）: Fc = |Fc| Sign V 式中： V - 负 载 线 速 度干 摩 擦 力 矩 Mc （N m）: Mc = |Mc| Sign 式中： - 负 载 角 速 度粘 性 摩 擦 力 矩 Mb （N m）: Mb = b2 式中：b2 (N s m) 粘性摩擦系数 惯 性 力 矩

20、MJ（N m）: MJ = J 式中： （rad/s2) - 负 载 角 加 速 度粘 性 摩 擦 力 Fb （N）: Fb = b1 V 式中：b1(N s/m) 粘性摩擦系数惯 性 力 Fm （N）: Fm = m a 式中： a (m/s2) - 负 载 线 加 速 度1.2.3.2.2.1 几种典型负载直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动位 能 负 载弹 性 负 载风 阻 负 载重 力 W（N）: W = m g 不 平 衡 力 矩 MW （N m）弹 性 力 矩 Mk （N m）: Mk = k2 式中：k2 (N m/ rad ) 弹

21、性摩擦系数 角位移风 阻 力 矩 Mt（N m）: Mt = f2 2 式中： f2（N m s2) 风阻系数 弹力Fk (N): Fk = k1 L 式中：K1(N/m) 弹性摩擦系数 L (m) 线 位 移风 阻 力 Ft （N）: Ft = f1 V2 式中： f1 (N s2/m2) 风阻系数4.5.6.2.2 负载的分析计算 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1

22、 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (

23、PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第二章 伺服系统的稳态设计2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋

24、转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算 直线运动 电 机负 载F= Fc + Fb + Fm = Fc+ b1v + ( md + mz ) a式中: F - 电机轴受到的合力 md - 电机动子质量 mz - 负载质量2.2 负载的分析计算2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算

25、 旋转运动电 机负 载M = Mc + MJ = Mc + (Jd + Jz)式中: M - 电机轴受到的合力矩 Jd - 电机转动惯量 Jz - 负载转动惯量2.2 负载的分析计算2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算 考虑减速比iz22z11z31z21z12z32123电 机负 载d = i zd = i zd = i zi = i1 i2 i3 式 中： i1 、 i2、 i3 - 各

26、 级 齿 轮 减 速 比 i - 齿 轮 减 速 器 总 的 减 速 比2.2 负载的分析计算2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算 考虑传动效率z22z11z31z21z12z32123电 机负 载电机的输出功率与负载消耗功率相等 Md d = MZ ZMd = -MZi d = i z2.2 负载的分析计算2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与

27、 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算 负载参数的折算 负载参数的折算 负载参数的折算2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算 单轴传动已 知：负 载 W = m g ，转 子 转 动 惯 量 Jd ，辘 轮 转 动 惯 量 Jp ，直 径 2R，电 机 和 辘 轮 的 角 速

28、 度 为 ，负 载 线 速 度 v = R 提升负载时，电机轴上的总负载力矩 下降负载时，电机轴上的总负载力矩 M=MJ-MW=(Jd+JP+mR2)2 - WR电 机负 载 辘 轮W2.2 负载的分析计算 M=MJ +MW= (Jd+JP +mR2)1 +WR2.2.2 负载的折算1. 单 轴 传 动2. 多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算 多轴传动电 机负 载 辘 轮Wz22z11z31z21z12z32123若 电 机 轴 与 辘

29、 轮 之 间 存 在 减 速比 i 和 传 动 效 率 ，则 提升负载时，电机轴上的总负载力矩 M=MJ+MW= (Jd+ )1+ . 下放负载时，电机轴上的总负载力矩 M=MJ-MW= (Jd+ )2- . 2.2 负载的分析计算 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3

30、 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率

31、放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第二章 伺服系统的稳态设计2.2.3 负载的综合计算负 载 运 动 有 规 律负 载 运 动 没 有 固 定 规 律负载力矩不仅与负载性质有关，还与运动状况有关。2.2 负载的分析计算 负载运动有规律 龙 门 刨 床 工 作 台 的 控 制 系 统：执 行 电 动 机 转 子 的 转 动 惯 量 Jd ,减 速 齿 轮 组 的 减 速 比 i,与 齿 条 相 啮 合 的 齿 轮 节 圆 半 径 R ,总 传 动 效 率 ，往 复 运 动 部 分 的 总 质

32、 量 m ,干 摩 擦 力 Fc ,切 削 加 工 时 的 切 削 阻 力 Fp ,其 它 因 素 可 忽 略 。例1齿条工 件工作台刨刀电 机tMC(c)t0MP(d)MJ0t(e)M0t0(f)tt1t2t3t4t5t60(b)M=2.2 负载的分析计算MC+MP+MJ 考 虑 实 际 加 工 过 程 往 复次数 多 ，需 要 检 验 执 行 电 机 的 发 热 与 温 升 ，为 此 要 计 算 一 周 内 转 矩 的 均 方根 值 Mdx，这 主 要 由 于Q = I2 R t ，而 M = Km I ，因此 考 虑 Mdx 即 可 检 验 执 行 电 机 的 温 升 与 发 热 。M0

33、t0(f)t1t2t3t4t5t6M1M2M3M4M5M6若 考 虑 到 电 机 在 起 动 、制 动 过 程 中 低 转 速 时 散 热 条 件 差 ，故 加 权 系 数 3秒，则检验MBM，否则重选电机。 执行电机的选择：M0MfdMldL0ABMBMA此时=求力矩电机的电势系数过载检验： Umax - 快速反转所加的电枢最大电压 max - 最大角速度 R - 电枢回路总电阻 Km(Nm/A) - 电机转矩系数 短时过载检验 2.3 执行元件的选择式中：要求b带宽b的概念闭环传递函数 ，则 =b时，根据经验公式：在300600时，工程上近似有 b(1.22)C 动态检验2.3 执行元件的

34、选择若系统动态指标提出要求：b, tts|（） |b|（0） | c与的关系2.3 执行元件的选择W ( s )erc当=c时, M与的关系2.3 执行元件的选择或（力矩电机）（普通电机）L（）kk 在 Bode 图 上 的反 映 如 右 图 所 示，电 机 的 饱 和 特 性为 一 条 - 40dB/dec 的 直 线。 若系统要求过渡过程时间tts2.3 执行元件的选择根据式中：或只 有 经 过 稳 态 检 验 、短 时 过 载 检 验 和 动 态 检 验 等 几方 面 的 检 验 均 满 足 要 求 时 ， 可 认 为 所 选 电 机 满 足 要 求 ，否 则 重 选 电 机 ！2.3

35、执行元件的选择2.3.2 执行电机的选择 单 轴 传 动 系 统 电 机 的 选 择一 般 高 速 电 机 的 选 择低 速 力 矩 电 机 的 选 择 多轴传动一般高速执行电机的选择2.3 执行元件的选择2. 多轴传动系统电机的选择简单初选验算负 载 通 常 给 定 技 术 要 求 ：m、m、ec、ev、ea、em、JZ、MC、ts 简单初选2.3 执行元件的选择根据 初选速比i 假设=1，则电机轴上总负载力矩 令M最小，即负载力矩折算到电机轴上最小： 将M折算到负载轴： 初选电机：2.3 执行元件的选择其中：两相异步电机：力矩电机： 再选速比i2.3 执行元件的选择 1: 负载达到m时，电

36、机已超过ne根据 若要求电机输出达到Me时，系统输出的角 加 速 度 最 大: 减速器的形式、减速级数与速比分配2.3 执行元件的选择 减速器的形式 减 速 级 数 N选取N的原则：使传动装置的转动惯量Jp最小。 11010023468203040601020302346通 常 Jp(0.1-0.3)Jd 。N=1N=2N=3N=4转动惯量比值Jp/J1 各级速比的分配2.3 执行元件的选择假设系统总传动比i=300,N=332N=总传动级数300i1 = 2.5i1 = 300/2.5=120i2 = 4i3 = 120/4=301006001234561101000220200330440

37、4006608808006541第一级传动比总传动比120 传动效率估计：=iN2.3 执行元件的选择 正齿轮付传动效率：i=0.94-0.96,对研后，i0.98 椎齿轮付传动效率：i=0.92-0.96 蜗轮蜗杆传动效率：Z=1：i=0.7-0.75Z=3或4：i=0.82-0.89Z=2:i=0.75-0.82执行电机的验算2.3 执行元件的选择 验算执行电机的发热与温升条件：假设电机做正弦运动，长期运行。 在伺服系统中常用求间接等效转矩检验电机： 验算： 从额定功率角度验算：Pe(0.8-1.1)Mdxim 从额定转矩角度验算：Me(0.8-1.1)Mdx2.3 执行元件的选择 短时过

38、载检验 一般电机： 力矩电机： 验算动态性能2.3 执行元件的选择 位置伺服系统：因为过渡过程时间通常小于3秒，W ( s )erc 若要求b：可短时过载。由前所述：m=emc2，k=emk2b（1.2-2) c 若要求tts： 速度伺服系统2.3 执行元件的选择G ( s )uruf uV/ f 若对b有要求：b（1.2-2)c当=c时：2.3 执行元件的选择 若对过渡过程时间ts有要求：2.3 执行元件的选择多轴传动系统执行电动机的选择总结第一步 简 单 初 选 1、初选电机 2、再选速比 3、减速器的形式、减速级数与速比分配 4、传动效率估计=iN第二步 执 行 电 机 的 验 算 1、

39、验算电机的发热与温升 2、短时过载检验 3、验算动态性能 1）位置伺服系统 2）速度伺服系统 从额定功率角度验算：Pe(0.8-1.1)Mdxim 从额定转矩角度验算：Me(0.8-1.1)Mdx一般电机：力矩电机：2.3 执行元件的选择作 业1、某随动系统给定技术指标型号 转矩（gfcm) 转速（rpm)功率（W）转动惯量 (gfcm2 )55SZ5193030002919655SZ58800600050196选择电机并验算（详细写出选择步骤及验算步骤）。给定直流伺服电动机技术指标：2.某随动系统的执行电机选用的是45SZ31型它激直流电机。已知电机的额定转矩Me=4.710-3Kgm,电机

40、转子转动惯量Jd=810-5Kgm2,电机过载系数=4，它与负载之间的传动比i=200，传动效率=0.85，负载转动惯量Jz=3Kgm2,负载干摩擦力矩Mc=0.1Nm，当系统最大跟踪误差em =30，忽略减速器的转动惯量，求：1）该电机带动负载所能响应的最大角频率k=?2)所能产生的最大角加速度k=?第二章 伺服系统的稳态设计 2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负

41、载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 与 选 择 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.5.4 频 压 转 换 电 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概

42、述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 与 选 择（书：5 1）（书：5 2）（书：5 3）（书：第二章、 5 4）（书：5 4）（书：5 4）（书：5 4）1. 角速度的检测测速元件主要有： (1). 测 速 发 电 机 (2). 测 速 电 桥 (3). 光 电 测 速 码 盘 (4). 速 率 陀 螺 等2.4 检测元件的选择2.4.1 伺服系统的测速与测角 角 速 度 的 检 测测 速 发 电 机光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角电 位 计差 动 变 压 器自 整 角 机旋 转 变 压 器 测速发电机2.4

43、 检测元件的选择 定 义 ： U=Ke 式中： 伺 服 系 统 对 测 速 发 电 机 的 主 要 要 求 ：输出特性呈线性关系并保持稳定；电机的转动惯量要小，以保证反应迅速；电机的灵敏度要高。 直流测速发电机: 它激式直流测速发电机 永磁式直流测速发电机 交流测速发电机: 交流异步测速发电机 交流同步测速发电机 分 类：2.4 检测元件的选择 直流测速发电机2.4 检测元件的选择RL 空载时：nu1u1ujijniaEaRa 输出特性0，u1 /RL ， 负载时： ia=Ea=Keia=Ea-iaRa= u1=u1= 产生误差的原因及改进措施：2.4 检测元件的选择 饱 和 倾 向 ：由 于

44、 电 枢 反 应 不灵敏 区 ：由 于 电 刷 接 触 压 降 u1 = Ea - iaRa - ub不灵敏区ubu1饱和倾向 应用2.4 检测元件的选择PI调节器放大装置执行机构测 速 发 电 机 反 馈usruf- PI 调节器AusrR2R3R1+E-ET1T2R4R5R6R7D1D2R9R8T3T4D3D4+-C1+-R10WC2AusrR2R3R1C1R10u01uf 测速发电机2.4 检测元件的选择+-WC2uf=Cen=Ke系统原理框图W Keusr-1R11R10 1 C1SR2 +K1/(Ri+Ra)(1+Tas)Km1JSKe- u01uaiaMauc 交流异步测速发电机

45、结 构及工作原理ufuj2.4 检测元件的选择 输出特性异 步 测 速 发 电 机 输 出 电 压 的 频 率 即 为 激 磁 电 源 的 频 率 ，与 转 子 转 速 n 的 大 小 无 关 ;它 的 幅 值 大 小 则 正 比 于 转 子 转 速 n ;输 出 电 压 在 相 位 上 滞 后 于 激 磁 电 压 ,一 般 小 于 300 。jff 剩余电压 异步测速发电机的应用2.4 检测元件的选择-+usrc1c2c3c4c5c6+EWAR1R2R3R4R5R6T1T2T3R7R8R9ucB12.4 检测元件的选择P 调节器测 速 发 电 机 反 馈usruf-功率放大执行机构（两相伺服

46、电动机）-+usrc1c2AR1R2R3-+usrc1c2AR1R2R3运放A构成一个同相比例放大器。其放大系数 比例调节器 功放-+usrc1c2c3c4c5c6+EWAR1R2R3R4R5R6T1T2T3R7R8R9ucB1 其它2.4 检测元件的选择cLU 电感： 电容：其无功功率：Q=QL+QC=I1U-I2U考虑电感电容消耗的功率，令U=Umcost 角 速 度 的 检 测测 速 发 电 机光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角电 位 计差 动 变 压 器自 整 角 机旋 转 变 压 器2.4.1 伺服系统的测速与测角 光电测速码盘2.4 检测元件的选择 结 构：光源光敏

47、传感器电机轴 工作原理：fc =N60nHZ整形+-+电动机光电传感器圆盘2.4 检测元件的选择 转向的判别ABtUAtUBtUB当电机正转时(逆时针），脉冲UA超前UB 900。当电机反转时(顺时针），脉冲UA滞后UB 900。2.4.1 伺服系统的测速与测角 角 速 度 的 检 测测 速 发 电 机光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角电 位 计差 动 变 压 器自 整 角 机旋 转 变 压 器测 角 元 件 主 要 有： (1). 电位计 (2). 差动变压器 (3). 微同步器 (4). 自整角机 (5). 旋转变压器 (6). 测角陀螺 等2. 用典型元件测角（位移）2.

48、4 检测元件的选择 电位计 分类按电压分类 交流电压供电的电位计 直流电压供电的电位计按运动形式分类 直线位移式电位计 转角式电位计 结构Lr直线位移式转 角 式r转角式2.4 检测元件的选择 应用+-+AR1R2R3R4R5R6R7R7R8T1T2T3T4rc-uce=r-cuc2.4 检测元件的选择 特点 其运动范围都是有限的，只能用于转角 或 位 移 有 限 的 系 统 中 。 电位计测角成本较低，但精度和可靠性也较低。 角 速 度 的 检 测测 速 发 电 机光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角电 位 计差 动 变 压 器自 整 角 机旋 转 变 压 器2.4.1 伺服系

49、统的测速与测角 差动变压器 分类按运动形式分类 直线位移式差动变压器 转角式差动变压器 结构直线位移式差动变压器结构及等效电路W1W0W2W0u0 sin0tW2W1uc2.4 检测元件的选择 差动变压器的优缺点 优点 缺点没有触点，精度高，分辨率高，线性度好。其位移和转角都是有限制的，动态范围小，检测小角度机械信号100；输出是交流信号；输入输出在空间上相距很近才行。2.4 检测元件的选择 角 速 度 的 检 测测 速 发 电 机光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角电 位 计差 动 变 压 器自 整 角 机旋 转 变 压 器2.4.1 伺服系统的测速与测角 自整角机 定义自整角

50、机是一种将转角转换成电信号或将电压信号变换为转角的感应式电传感元件，在系统中通常是两个或两个以上自整 角 机 组 合 使 用 。2.4 检测元件的选择 分类按使用要求分类按用途分类力矩式自整角机：通常用于指示系统控制式自整角机：主要用于随动系统 差动式自整角机：控制式发送机：其作用将转子转角的变 化转变为电信号输出。控制式接收机：它工作在变压器状态，又 称控制式自整角变压器。2.4 检测元件的选择 结构控制式自整角发送机控制式自整角接收机2.4 检测元件的选择rcuc 输出特性euc02- 2 应用ZFZBu0=U0sin0trc1:iU0sin0tucR1WR2R3R4R5R6R7R8R9R

51、10R11R12C1C3C4C5C6C6W2W3AC2-+DT1T2T3B1B2+E2.4 检测元件的选择 控制式自整角机的两个零点2.4 检测元件的选择 两个零点故e =0为稳定零点。r-c=eZFZBu0=U0sin0trc1:iU0sin0tucR1WR2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12C1C3C4C5C6C6W2W3AC2-+DT1T2T3B1B2+E e=0,uc=0点：e 0时，c 0 ，c ，e0e r ，uc 时，cr-，uc0，c ，e 0er-，uc0，c ，e 2euc02euc02cr-2，cr，ZFZBu0=U0sin0trc1:iU0sin0tucR1

52、WR2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12C1C3C4C5C6C6W2W3AC2-+DT1T2T3B1B2+E 两个零点的转化2.4 检测元件的选择 双通道测角线路精 度 等 级0 级 级级静 误 差 分51020自整角机发送机和接收机精度如下：自整角机误差2.4 检测元件的选择 误差分析引入精通道后自整角机误差变为： 双通道测角线路组成2.4 检测元件的选择iCJJJrcCFJFujuc 工作原理2.4 检测元件的选择R1R2R3iCJJJrcD1D2CFJFDW12ujucujuc 精通道uj+uR1uDW时，uj=uj+uR1uDW时，uj=uDWeuj02.4 检测元件的选择

53、 粗通道 时，二极管D1D2截止，uc=0， 时，uc uc，euC02.4 检测元件的选择 减速比i为奇数时以i=5为例：系统输入轴与输出轴之间的失调角在3600范围内，两个测角通道的输出特性如图所示。eu0ujuc2.4 检测元件的选择 组合特性精粗双通道的组合特性如下图所示：eu0-e=0时，精粗通道均处于稳定零点处， 因此e=0为系统的稳定零点。e=时，精粗通道均处于不稳定零点处， 因此e=为系统的不稳定零点。2.4 检测元件的选择 减速比i为偶数时以i=6为例：系统输入轴与输出轴之间的失调角在3600范围内，两个测角通道的输出特性如图所示。eu0ujuc由 图 可 见：2.4 检测元

54、件的选择e = 0 时 ，精 粗 通 道 均 处 于 稳 定 零 点 状 态 。 e = 0 为 系 统 的 稳 定 零 点 。出现了假零点！e =时，粗通道处于不稳定零点，精通道处于稳定零点。此时uc uemaxe0R1R2R3icD1D2DW12ujucujucBu0R4 小结2.4 检测元件的选择式中： 2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.

55、2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 与 选 择 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放

56、大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 与 选 择第二章 伺服系统的稳态设计（书：5 1）（书：5 2）（书：5 3）（书：第二章、 5 4）（书：5 4）（书：5 4）（书：5 4） 对信号转换电路的要求： 对有效信号应不失真的传递 对噪声能有效的抑制 可以进行转换的信号的形式： 直 流 电 压 交 流 电 压 幅 值 相 位 宽 度 脉 冲 信 号 频 率 相 角2.5 信号转换电路的设计与选择2.5.1 概 述 伺服系统中常见的信号转换电路的类型类型输入信号输出信号特 点调制 解调D/AA/D2.5 信号转换电路的设计与选择振幅调制直流电压交流

57、电压（频率固定）输出交流信号幅值与输入电压成正比，相位只有正反两种，对应输入电压的正负。输出的交流信号幅值一定，相位与输入电压一一对应。输出脉冲信号的频率与输入信号的幅值成正比。输出脉冲信号的宽度与输入信号的幅值成正比。输出直流电压的大小与输入交流信号的振幅或相角成正比，正负与输入电压的正反相位相对应。输出直流电压的大小与输入交流信号的频率成正比。将数字输入信号转换成自整角机/旋转变压器输入信号。将自整角机/旋转变压器输入的信号转换成数字信号输出。交流电压或脉冲（频率固定）脉 冲 脉 冲（频率、振幅一定）直流电压直流电压交流信号数字信号直流电压直流电压直流电压交流电压交流电压/脉冲信号的频率数

58、字信号交流信号相位调制频率调制脉宽调制相敏整流频压转换DSC/DRCSDC/RDC2.5.2 相敏整流电路2.5 信号转换电路的设计与选择信号转换电路输出信号 输入 放大装置执行机构被控对象检测装置补偿装置大小与输入信号的振幅成正比； 交流电压 直流电压 正负与输入信号的正反相位相对应。 开关式相敏整流电路模拟乘法器组成的相敏整流电路相敏整流集成芯片 开关式相敏整流电路二极管构成的开关式相敏整流电路分类：三极管构成的开关式相敏整流电路集成芯片构成的开关式相敏整流电路2.5 信号转换电路的设计与选择 晶体三极管模拟开关解调器2.5 信号转换电路的设计与选择 晶体三极管模拟开关解调器的组成usrc

59、RfuscT1T2*+-B1T3T4ut*B2usr正半周usr负半周tusr0usc0usc0tut0ut正半周ut负半周 共集电极三极管模拟开关2.5 信号转换电路的设计与选择NNPceb 三极管结构特点： 三极管工作状态：ab两只三极管集电极对接工作是为了减小其饱和压降。T1T2T3T4utusrusc*+-B1B2 工作原理2.5 信号转换电路的设计与选择cRf选定usr的参考方向:ut正半周：T1T2导通，T3T4截止usc= usrut负半周：T1T2截止，T3T4导通usc= -usr空载时：tusr0tusc0tut0ut与usr同相tusr0tusc0tut0ut与usr反相

60、tusr0tut0ut与usr相差角空载时输出特性：t0tut0ut与usr正交usrusc0t0usct 传递函数的推导2.5 信号转换电路的设计与选择rCRfuscusr开关式相敏整流电路总结2.5 信号转换电路的设计与选择 其电路中均有一个模拟开关， 它能让模拟信号通过，它的通 和断由外加参考电压信号控 制，与输入信号无关 。 具有解调特性：即将输入的 交流信号转变成直流信号输 出，直流信号的大小与交流 信号的振幅成比例，正负与 交流信号的正反相位相对应。 能抑制正交干扰。 用模拟乘法器做相敏解调器 表示方式usrutusc有两个输入端，一个输出端，输入端分别接usr和ut 集成器件国产