机电一体化第四章PPT

1、目录1234伺服系统概述(i sh)伺服系统中的执行(zhxng)元件执行元件的控制与驱动开环控制的伺服系统设计第 4 章 伺服系统设计5闭环控制的伺服系统设计6开环控制伺服系统设计实例共七十七页1伺服系统概述(i sh)1伺服系统基本概念 伺服系统（servo system）也叫随动系统，是一种能够(nnggu)跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。 大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统。伺服系统是根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的，因此伺服系统的工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过度过程。 许多机

2、电一体化产品（如数控机床，工业机器人等），需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系统是机电一体化产品的一个重要组成部分。共七十七页2伺服系统的基本(jbn)类型1伺服系统概述(i sh)按被控制量的不同可将伺服系统分为： 位置伺服系统（最常见，如数控机床的伺服进给系统）、速度伺服系统、力伺服系统等。按所采用的执行元件的不同可分为： 电气伺服系统（采用伺服电机或步进电机作为执行元件，应用较广泛）、液压伺服系统、气压伺服系统等。按控制方式不同可将私服系统分为： 开环伺服系统（无检测反馈元件，结构简单，精度低）、闭环伺服系统（直接对工作台等移动部件进行检测和反馈，精度高结构复杂、成本高）、半闭环伺服系统

3、（将大部分机械构件封闭在反馈控制环节之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间）。共七十七页3伺服系统构成(guchng)1伺服系统概述(i sh)伺服系统基本结构方框图比较元件：通常可通过电子电路或计算机软件来实现调节元件：又称控制器，一般由软件算法加硬件电路实现，或单独由硬件电 路实现。执行元件：机电一体化产品中多采用步进电机或伺服电机作为执行元件。被控对象：被控对象一般都是机械装置，包括传动机构和执行机构。测量和反馈元件：是指传感器及其信号检测装置。共七十七页4伺服系统的基本(jbn)要求1伺服系统概述(i sh)对系统稳态性能的要求：系统稳态性能指标包括系统静态误差、系统速度误差、系统加速度

4、误差。 对闭环系统而言，理论上没有静态误差系统，实际由于检测装置分辨率有限以及干摩擦等影响，都存在静误差。 系统速度误差是指系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与其输入轴作相等的匀速运动，在同一时刻，输出轴与输入轴之间的转速差。 系统加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时，在同一时刻两轴之间最大的加速度差值。对伺服系统动态性能的要求：一般用最大超调量，过度过程时间、激荡次数等特征作为衡量指标。对系统工作环境的要求：如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动等方面的要求。对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。共七十七页5伺服系统的设计(shj)方

5、法1伺服系统概述(i sh)（1）设计要求分析，系统方案设计（2）系统性能分析（3）执行元件及传感器的选择（4）机械系统设计（5）控制系统设计（6）系统性能复查（7）系统测试实验（8）系统设计定案共七十七页2伺服系统中的执行(zhxng)元件1执行(zhxng)元件的种类及特点（1）电气执行元件：包括控制用电机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁等（2）液压执行元件：重量轻、惯量小、快速性好等优点。主要有高压油泵、伺服阀、液压马达和其他辅助元件组成。（3）气压执行元件：除了用压缩空气作工作介质外，与液压执行元件无什么区别。有气缸、气压马达等，具有结构简单、可靠性高、价格

6、低等优点、共七十七页2伺服系统中的执行(zhxng)元件2机电控制系统(kn zh x tn)对执行元件的基本要求（1）调速范围宽且有良好的稳定性，尤其是低速时的速度平稳性。（2）负载特性硬，即使在低速时，也应有足够的负载能力。（3）反应速度快。（4）可频繁的启、停及换向。（5）易于控制。共七十七页2伺服系统中的执行(zhxng)元件3常用的控制(kngzh)电机（1）步进电机：输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步；转子惯量小，启、停时间短；输出转角的精度高，无积累误差；易于计算机控制，维修方便，寿命长；容易实现正、反转和启、停控制；能量效率低，存在失步现象。（2）直流伺服电机（3）交流

7、伺服电机（4）直线电机共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动1步进电机(dinj)控制与驱动 步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。 右图是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动1步进电机控制(kngzh)与驱动单三拍通电方式的基本原理 设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A极就成为电

8、磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A极的位置（图2a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30，它的齿和C、C极对齐（图2c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按ACBA的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动1步进电机控制(kngzh)与驱动 1）步进电动机驱动电源的基本功能a）按一定顺序及频率接通和断开步进电机的绕组，使电动机起动、运转和停止。b）提供足够的功率，实现机电能量转换。c）提高步进电动机运行的快速性和平稳性。2）对驱动电

9、源的基本要求a）电源的相数、通电方式、电压、电流与电动机的基本参数相适应。b）满足步进电机启动频率和运行频率的要求，并能实现自动频率升降。c）能最大限度地抑制步进电动机的振荡，工作可靠，抗干扰能力强。d）成本低，效率高，安装和维护方便。共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动1步进电机控制(kngzh)与驱动变频信号源：提供控制脉冲的信号发生器。脉冲分配器：根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上， 并根据指令使电动机正转或反转，实现既定的运行方式。功率放大器：提供足够的驱动功率。共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动1步进电机(dinj)控制与驱动b、双电压驱动 功耗小

10、，效率高，能增加电机的起动和运行频率，改善矩频特性。共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动1步进电机(dinj)控制与驱动4、步进电机的选型通常考虑的问题有：步进电机种类、步距角、运行频率、转矩等。常用的步进电机有：反应式（BC或BF系列）和混合式（BYG系列）两种。选取原则： 应使步距角和机械系统相匹配，得到所需的脉冲当量。 要正确计算机械系统的负载转矩。 应当估算机械负载的负载惯量和系统要求的启动频率。 合理确定脉冲当量和传动链的传动比。共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动1步进电机控制(kngzh)与驱动驱动方法a、单电压功率放大电路 结构简单，R要消耗能量，使放大器功

11、率降低。用于对速度要求不高的小型步进电动机中。共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动特点： 直流伺服电机具有响应迅速、精度和效率高，高速范围宽、负载能力大、控制特性优良等优点，缺点是转子上安装了具有机械运动性质的电刷和换向器，需要定期维修和更换电刷，使用寿命短、噪声大，电机功率不能太大等。共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动直流电机定子转子空气隙定子铁心励磁绕组机壳端盖电刷电枢绕组电枢铁心换向器转轴构造：共七十七页3执行元件的

12、控制(kngzh)与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动定子主磁极和铁心1) 功能：产生磁场。2) 按照主磁极励磁方式， 又分为：永磁式和电磁式。3) 电磁式直流电机：主磁极为电磁铁形式，用直流电产生磁场，应用功率大的场合，中、大型直流电机。 共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动电枢绕组和电枢铁心 电枢位于转子上，是电机主磁路的一部分，由电枢铁心和电枢铁心构成。电枢铁心：用来嵌放电枢绕组，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组

13、成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机、电能量转换的关键性部件。共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动 电机的负载电流，发电机的电势和电动机的转矩都要依靠电枢绕组产生，是电机的中枢和枢纽。电枢绕组和电枢铁心共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动 当电流通过电刷、换向器流入处于永磁体磁场中的转子线圈时，产生的电磁力驱动转子转动。1. 工作原理 外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 实际上直流电动机转子上的绕组也不是由

14、一个线圈构成，而是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动脉宽调制直流调速系统(PWM)： PWM（Pulse-Width Modulation）是脉冲宽度调制的英文缩写，是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩成一定频率的方波电压，并加在直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢平均电压来控制电机的转速。 直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用的驱动方式有SCR（晶闸管直流驱动方式）驱动和PWM驱动。本节介绍目

15、前广泛采用的PWM驱动方式。2. 直流伺服电机的控制与驱动共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动脉宽调制直流调速系统(PWM)： 共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动 当需要电机在正、反两个方向上都能调速时，需要使用桥式（H型）降压斩波电路，如图所示。桥式电路中，VT1、VT4同时导通同时关断， VT2、VT3同时导通同时关断，但同一桥壁上的晶体管

16、（如VT1和VT4 、VT2和VT3 ）不允许同时导通，否则将使直流电源短路。电机电枢回路上的平均电压为： 共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动 根据PWM的工作原理，必须有一种电路或装置将控制转速的指令转换成脉冲的宽度，其中元件工作在高速开关状态，这种装置叫直流PWM驱动装置。共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动 脉冲频率发生器可以是三角形或锯齿波发生器，它的作用是生成一个固定频率的调制信号，或叫载波信号V0，电压脉冲变换器将转速指令信号U1和载波信号进行综合，产生一个宽度被调制的开关脉冲信号，分配器作用

17、是将电压脉冲变换器输出的脉冲信号按一定逻辑关系分配到功率放大器的各个晶体管，以保证晶体管协调工作。共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动3. 直流伺服系统：速度伺服系统：它有速度控制单元，伺服电机，速度检测装置等构成，速度控制单元用于控制电机的转速，是速度控制系统的核心。目前用得最多的是晶闸管直流调速系统和PWM直流脉宽调速系统。位置伺服系统：应用领域非常广泛，如数控机床、工业机器人、雷达天线和电子望远镜的瞄准系统等。这里只介绍检测反馈与比较电路比较简单，应用广泛的数字脉冲控制伺服系统。共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动2直流伺服控制(k

18、ngzh)与驱动 在该伺服系统中，数控装置的位移指令以指令脉冲数Pv给出，反馈信号由位置检测器给出反馈脉冲P1，它们分别进入数字控制器中的加法器和减法器端，经运算输出位置偏差量，该偏差量经位置控制器，通过D/A转换后，输出作为速度环的速度指令电压信号，从而控制直流伺服电机的运动。共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动4. 直流伺服电机选型惯量匹配原则：通常分两种情况。a. 小惯量直流伺服电机 负载惯量和电机惯量的比值推荐为1,3，特点是转矩/惯量比大，机械时间常数小，加速能力强，动态特性好，响应快。b. 大惯量直流伺服电机 负载惯量和电机惯量比值推荐为

19、0.25,1。特点是转矩大、惯量大，能在低速范围内提供额定转矩，常常不需要传动装置而与滚珠丝杠直接连接，受惯性负载的影响小。转矩/惯量比值高于普通电机而小于小惯量伺服电机。选择伺服电机时，主要应考虑转矩和惯量两个方面。共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动等效转矩： 曲线a为电机温度限制曲线，电机在此曲线内能长期工作。曲线c为电机最高转速限制线，转矩曲线d中最大转矩主要受永磁体材料的去磁限制。 直流伺服电机的转矩速度特性曲线一般分为连续工作区（电机转矩和转速可以任意组合而长期工作）、断续工作区（电机只允许短时间工作或周期间歇性工作）和加/减速区。共七十

20、七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动2直流伺服控制(kngzh)与驱动 由于3个区的用途不同，电机转矩选择方法也不同。工程上常根据电机发热等效原则，将重复短时工作制折算为连续工作制。计算所需电机抓举的方根值（即等效转矩），寻找连续额定转矩大于该值的电机。 直流伺服电机应根据负载转矩、惯性负载来选择电机的种类（大惯量还是小惯量电机）；按照电机的工作特性曲线及设计要求来进行计算和型号的确定，还应检查其启动、加减速能力，必要时应检查其温升。共七十七页3执行元件的控制(kngzh)与驱动3交流(jioli)伺服控制与驱动（1）交流伺服电机工作原理交流伺服电机的特点：交流伺服电机首先要有一个旋转磁

21、场。使转子旋转的电磁力是转子在旋转磁场中感应电流与旋转磁场产生的，所以这种原理的交流电机叫感应电机。转子的旋转速度总是“跟不上”旋转磁场的速度。共七十七页3执行(zhxng)元件的控制与驱动3交流(jioli)伺服控制与驱动根据公式： 感应式电机的速度控制有三种方法：改变加在电动机上的电源频率 ，改变转率差 ，改变电机的磁极对数 。 电机的极对数在出厂时已经确定，因此，改变磁极对数的速度控制方法是有级速度控制。共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动3交流(jioli)伺服控制与驱动1）改变定子电压的速度控制：改变输入电压时，其机械特性曲线为一曲线族；改变感应电机的定子端电压，就可以实

22、现对电机转速的控制。控制定子电压调速的优点如下： a）速度控制范围为1:10，b）可以进行制动控制。 缺点：由于转子输入功率与负载转矩成正比，恒转矩负载时，由于转矩与速度无关，所以转子损失与转差率成正比。因此，随着转速的降低，损失增加，效率降低。共七十七页3执行元件(yunjin)的控制与驱动3交流伺服控制(kngzh)与驱动2）定子频率控制：通过调节输入到交流电机定子的电压（或电流）的频率和幅值，来控制交流电机的转速，以满足实际工作的要求。 定子频率控制一般采用三相感应式交流电机，以控制其平均转矩，达到交流电机速度控制的目的。 根据控制原理不同，交流电机定子频率控制一般分为转差频率控制和电压

23、频率控制两种。共七十七页一、系统(xtng)方案设计执行(zhxng)元件功放电路接口电路机械传动机构机械执行机构微型机图4.1 开环伺服系统结构原理框图 4开环控制的伺服系统设计1机械系统设计共七十七页1、 执行(zhxng)元件的选择从负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本(chngbn)等多方面要求。采用步进电机、电液脉冲马达、伺服阀控制的液压缸和液压马达等作为执行元件。2、 传动机构方案的选择目前滚动丝杠螺母副是伺服系统中的首选传动机构。在步进电机与丝杠之间运动的传递可以通过联轴器或减速器。3、 执行机构方案的选择 执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机

24、构，应根据具体操作对象及其特点来选择和设计。4、 控制系统方案的选择系统方案的选择包括微型机、步进电机控制方式、驱动电路等选择。4开环控制的伺服系统设计1机械系统设计共七十七页内容包括：执行元件参数及规格的确定、系统结构的具体(jt)设计、系统惯量、 刚度等参数的计算。图4.2 步进电机(dinj)驱动的开环系统 2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页1、 确定脉冲当量，初选(ch xun)步进电机 脉冲当量应根据小于或等于系统的定位精度来确定。 对于开环系统，脉冲当量一般取为0.0050.01mm。如果取得太大，无法满足伺服系统定位精度要求；取得太小，使机械系统难以实现或降低

25、了经济性。 初选步进电动机主要是依据系统提出的性能指标，选择其种类、步距角和运行频率。 目前常用的步进电机有反应式和混合式两种。 反应式步进电动机步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大；混合式步进电机的步距角可以做得较小，在外形尺寸上受到限制、又需要小步(xio b)距角和大转矩的情况下，选择混合式步进电机。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页反应式步进电机(dinj)混合式步进电机(dinj)2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页2、 确定机械系统的传动(chundng)比和传动(chundng)方式 一般(ybn)伺服系统的机械传动都是减速系统。减速系

26、统的传动比主要根据负载的性质、脉冲当量和其他要求来选择确定。减速系统的传动比要满足电机和机械负载之间的转速、力矩和位移的相互匹配。开环系统中，减速器的传动比可以按照脉冲当量和步距角来确定：式中 减速器的传动比; 步距角，（ ）; 丝杠导程，mm; 脉冲当量，mm。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页传动(chundng)级数选择曲线传动比分配(fnpi)曲线 如算出的传动比 值比较小，可采用同步齿形带或一级齿轮传动，否则应采用多级齿轮传动。选择齿轮传动级数时，一方面应使齿轮总转动惯量与电动机轴上主动齿轮的转动惯量的比值较小，另一方面还要避免因级数过多而使结构复杂。按下图选择。

27、确定之后，可根据总传动比和传动级数，按图分配各级传动比，且应使各级传动比安传动顺序逐级增加。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页3、计算(j sun)系统的等效转动惯量 机械系统各部件的转动惯量可以根据有关的转动惯量计算公式进行(jnxng)计算。对于某些传动件（如齿轮、丝杠等），通常不容易精确计算出它的转动惯量，此时就将其等效为圆柱体来近似估算。计算公式为：式中 材料的密度，kg/m3; 传动部件的等效直径，m; 传动件的轴向长度，m。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页4、计算电机负载(fzi)力矩 伺服系统带动被控对象(duxing)运动，被控对象(d

28、uxing)的负载很复杂，难于用简单的数学表达式来描述。因此在工程设计中，常常对负载作合理的简化。以传动形式为例，负载通常划分为一下6种。 惯性转矩 干摩擦力矩 黏性摩擦力式中 负载转动惯量，kg/m2; 负载角加速度，rad/s2。式中 负载转动的角速度，rad/s; 符号函数。式中 黏性摩擦系数， 。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页 弹性(tnxng)力矩 风阻力矩(l j) 重力力矩 以上负载与其运动参数（角速度、角加速度或角度）有关。如果被控对象有规律，则以上负载就能够用数学形式描述，定量分析也较为容易。但实际上，定量分析是很困难的。因此，工程上常采用近似方法，选

29、取有代表性的工况进行定量分析和计算。式中 扭转弹性数， ; 负载转动角度，rad。式中 风阻系数， 。式中 负载重量，N ; 重力力臂，m。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页 电机在克服被控对象的负载时，还要克服电机本身的干摩擦力矩、转子转动惯量所形成的惯性转矩。尽管伺服系统的负载多种多样，但总可以用干摩擦力矩和惯性力矩组合形式来表达，或者用多种负载组合表示(biosh)。很据该思路可以计算任何负载力矩的等效力矩。对于旋转机械系统，输出轴上的负载(fzi)力矩等效到电机轴上的等效力矩：式中 系统的总传动比; 传动系统的总效率。 2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共

30、七十七页2机械系统的设计(shj)计算4开环控制(kngzh)的伺服系统设计 每对齿轮副的传动传动效率 ；每对锥齿轮副 ； 蜗杆涡轮传动 Z= 1时， ；Z=2时， ； Z=3或4时， ；如形成自锁则 ； 齿轮齿条传动 ； 螺母丝杠传动 ； 滚珠丝杠传动 式中 丝杠的直径，mm; 丝杠导程，mm。现有经验数据可供估算效率：共七十七页5、确定(qudng)步进电机型号并验算 在步骤(bzhu)1中，能够初步确定步进电机的种类、步距角等参数。在计算出机械系统的转动惯量和负载力矩后，根据惯量匹配原则，进一步确定步进电机的型号，并进行验证。如果该型号电机不满足系统要求，则需要从新考虑步进电机选择。6、

31、 选择步进电机配套的驱动器选型原则:驱动器的电流：电流是判断驱动器能力的大小，是选择驱动器的重要指标之一，通常 驱动器的最大电流要略大于电机标称电流，通常驱动器有2.0A、3.5A、 6.0A、8.0A等规格。 驱动器供电电压：供电电压是判断驱动器升速能力的标志，常规电压供给有：24VDC、 40VDC、80VDC、110VAC等。 驱动器的细分：细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善精度。细分能增加电机 平稳性，通过加大细分可以改善，使电机运行非常平稳。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页4.4.2 控制系统(kn zh x tn)设计 控制系统是机电一体化产品中最重要的

32、组成部分，主要实现控制及信息处理功能。此外，机电一体化产品的其它内部(nib)功能也都要在控制系统的控制和协调下才能得以实现。给定值被控参数执行元件控制器被控对象传感与检测装置控制系统的基本组成控制装置2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页控制系统设计的一般方法(fngf)和步骤： 一个完整的控制系统本身也是一个机电一体化系统，其中既有执行机构和被控对象等机械部分，也有控制装置和传感与检测装置等电器部分。因此，要设计出一个良好(lingho)的控制系统，必须采用机电一体化技术和方法。 控制系统设计的基本方法是，把系统中的所有环节都抽象成数学模型进行分析和研究，不论各环节具有何种

33、量纲，在模型中都以相同的形式表达，用相同的方法分析，因而各环节的特性可按系统整体要求进行匹配和统筹设计。 设计机电一体化伺服系统，一般先进行机械系统的设计，在初步确定机械系统各部件的型号和参数后，开始进行控制系统设计。在大多数情况下，两者应是并行进行的。控制系统设计主要包括硬件和软件设计两个方面。下面分别介绍。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页 硬件设计包括控制器的造型(或设计)、外围电路设计。 开环系统一般以步进电机作为执行元件。选择(xunz)步进电机型号后，就可以选择(xunz)相应的驱动器。控制系统设计主要集中在控制器和应用软件的设计上。控制器有工控机、单片机和PL

34、C等。1、系统硬件(yn jin)设计 正确选择微处理器芯片 控制系统是实时系统，运算速度决定了控制系统能否完成预定的任务；字长则决定了计算精度。对于运算量小、精度和速度要求不高的场合，可以选择8位机，否则要选用16位或32位机。4开环控制的伺服系统设计共七十七页 电路设计和仿真 在制作PCB板之前，最好对电路原理图进行(jnxng)计算机辅助设计和仿真，及早发现存在的错误和缺陷并进行(jnxng)修改。设计和制作电路板时，应注意留有余地，以便今后修改和扩展功能。对于电路的抗干扰设计也应引起足够的重视。 系统(xtng)规模经营 根据实际需要，选择单片机的存储容量和IO口。选择单片机类型时，最

35、好选择那些集成度高、片内含有丰富外围功能的芯片。这样可以减少元件的数量，同时增强系统的抗干扰能力。2机械系统的设计计算4开环控制的伺服系统设计共七十七页2、系统软件(x tn run jin)设计 随着芯片技术的发展，硬件电路设计越来越简单。控制系统(kn zh x tn)大部分设计任务集中在软件设计上。对于单片机而言，软件设计时应注意以下几点。 认真编写软件任务书 对控制系统应完成的功能和指标进行分析，编制详细的任务说明书。按照结构化和模块化的思路，将执行软件和系统监控软件分成不同的模块，对每个模块说明其功能、入口参数和出口参数。 资源分配 系统的硬件资源包括RAMROM、IO口、定时器计数

36、器、中断等。对这些资源应进行认真分配，一般1O口和RAM资源比较紧张，应仔细规划。 程序编写与调试 单片机程序设计语言一般采用汇编语言。因此，在编制程序时要对程序的流程图、功能、资源分配等进行详细的说明。完备的文档，不仅能有效地减少程序出错概率，还有助于软件的维护。程序调试时，先单个模块进行测试。确认每个模块都没有错误后，将整个软件进行联合调试和测试。4开环控制的伺服系统设计共七十七页闭环伺服系统的构成(guchng)示意图1闭环伺服系统构成(guchng)5闭环伺服系统设计共七十七页 闭环系统是负反馈控制系统。 检测元件将执行部件的位移、转角、速度等量变换成电信号，反馈到系统的输入端并与指令

37、进行比较，得出误差信号的大小，然后按照减少误差大小的方向控制驱动电路，直到误差减小到零为止。 反馈检测元件一般精度比较高，系统传动链的误差、闭环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以(ky)得到补偿，从而大大提高了系统的跟随精度和定位精度。 根据检测元件(yunjin)的安装位置，闭环系统分为全闭环和半闭环两种。 位置检测元件直接安装在最后的移动部件上，形成全闭环系统。对于全闭环系统，系统的误差都可以得到补偿，但也极易造成系统的振荡，使系统变得不稳定。1闭环伺服系统构成5闭环伺服系统设计共七十七页 半闭环伺服系统由于传动链一部分在位置闭环以外，环外的传动误差(wch)得不到系统补偿，因而伺服

38、系统的精度有所降低。但是半闭环伺服系统中的检测元件构造简单、价格便宜，系统也较容易调整，因此得到广泛应用。 闭环伺服系统适合于高精度或大负载的系统，系统的设计比开环伺服系统复杂得多。但设计步骤与开环伺服系统设计步骤相类似。由于半闭环伺服系统在实际工程中应用广泛，因此只讨论该类系统。1闭环伺服系统构成(guchng)5闭环伺服系统设计共七十七页 直流伺服电机通常有永磁直流伺服电机、无槽电枢直流伺服电机、空心杯电枢直流伺服电机、印制绕组直流伺服电机。 根据伺服系统的实际情况，选用不同类型的直流伺服电机。 一般直流伺服系统选用永磁直流伺服电机；需要快速动作、功率较大的伺服系统选用无槽电枢直流伺服电机

39、；需要快速动作的伺服系统选用空心杯电枢直流伺服电机；低速运行(ynxng)和启动、正反转频繁的系统则选用印制绕组直流伺服电机。2闭环伺服系统设计(shj)5闭环伺服系统设计1、伺服元件的选型（1）执行元件的选型 闭环伺服系统广泛采用的执行元件通常有交、直流伺服电机、液压伺服马达。在负载较大的大型伺服系统中常采用液压伺服马达；在中、小型伺服系统中，则多采用交、直流电机。共七十七页 交流伺服电机不仅具有直流伺服电机那样的优良静、动态性能，并且交流伺服电机具有无电刷摩擦、维修方便、价格较低等优点。 交流伺服电机分同步型交流伺服电机和异步型交流伺服电机两种。同步型交流伺服电机常用于位置伺服系统，如数控

40、机床进给系统、机器人关节伺服系统及其他机电(jdin)一体化产品的运动控制，包括点位控制和连续轨迹控制。异步型伺服电机主要用于需要以恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中，如数控机床的主轴系统驱动。2闭环伺服系统设计(shj)5闭环伺服系统设计共七十七页（2）执行(zhxng)元件的选型 常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅尺、磁尺等。如被测量为直线位移，则应选用直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。如被测量为角位移，则应选取(xunq)圆形的角位移传感器，如光电编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。 一般来讲，半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器，

41、全闭环控制的伺服系统主要采用直线位移传感器。 传感器的精度与价格密切相关，应在满足要求的前提下，尽量选用精度低的传感器，以降低系统成本。 选择传感器还应考虑结构空间（如外形尺寸、连接及安装方式等）及环境（如温度、湿度、灰尘等）条件等的影响。 在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。2闭环伺服系统设计5闭环伺服系统设计共七十七页2、伺服系统静态(jngti)设计 闭环伺服系统的静态设计主要包括确定执行元件（电机）的型号和参数(cnsh)、传动机构的传动方式和传动比、检测元件的参数(cnsh)等。3、伺服系统的动态设计（1）开环频域性能指

42、标开环频域性能指标有以下两项a、增益裕量 （幅值裕量） 及其对应的相位穿越频率 的计算公式为：式中 时开环传递函数的幅值。2闭环伺服系统设计5闭环伺服系统设计共七十七页增益裕量用分贝 （）表示，有 当 时，对应的闭环系统是稳定的；当 时，闭环系统处于(chy)临界和不稳定状态。b、相角(xin jio)裕量 及其对应的增益截止频率 的计算公式为：式中 时开环传递函数的相位角。 当 时，表示对应的闭环系统是稳定的； 当 时，表示对应的闭环系统是临界和不稳定的。2闭环伺服系统设计5闭环伺服系统设计共七十七页（2）伺服系统校正(jiozhng) 计算伺服系统的开环频域性能指标后，判断系统是否需要(x

43、yo)增加校正环节。 校正的工程方法有根轨迹法和频率法两种。它们的本质都是通过引入校正装置，改变系统的零、极点分布情况，即改变系统的根轨迹或频率特性曲线的形状，使系统性能得以改善。校正环节有电气校正和机械校正两种。 电气校正环节可串联在控制系统的前向通道中，形成串联校正；也可与前向通路并联，组成并联校正。 并联校正实质上是通过局部负反馈来改善系统的性能。直流伺服电机的速度负反馈回路就是一种并联校正，它使系统的开环增益减小，阻尼效应增强，而且降低了环路内各元件非线性因素的影响。2闭环伺服系统设计5闭环伺服系统设计共七十七页 假设拖板的质量(zhling)为300kg，拖板与导轨之间的摩擦系数为0.06，车削时最大切削负载（与运动方向反） 垂直于导轨的Y方向 力 ，要求刀具切削时的进给速度 空载时快进速度 ，滚珠