机电系统设计第五章课件

1、机电系统设计第五章课件机电系统设计第五章课件二、伺服系统基本类型 2采用不同的分类方法，可以得到不同类型的伺服系统 按控制原理（或方式）不同表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质不同有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式 按驱动方式不同有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件不同分为步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式0.1110100P(kW)f (Hz)101001000图5.2 伺服系统适用范围二、伺服系统基本类型 2采用不同的分类方法，可以得到不同类型3三、伺服系统基本要求 精度 响应速度 调速范围指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示影响伺服

2、系统精度的因素：1、组成元件本身误差传感器的灵敏度和精度伺服放大器的零点漂移和死区误差机械装置反向间隙和传动误差各元器件的非线性因素等2、系统本身结构形式输入指令信号的形式是衡量伺服系统动态性能的重要指标是伺服系统提供的最高速与最低速之比，即：3三、伺服系统基本要求 精度 响应速度 调速范围指输出量复应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击； Rn要大，并且在该范围内，速度稳定； 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” 状态，即惯性小。4 应变能力和过载能力要求：过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏

3、四、电气伺服驱动装置 机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置，即伺服电机驱动系统。伺服驱动电机一般是指：步进电机（Stepping Motor）直流伺服电机(DC Servo Motor)交流伺服电机(AC Servo Motor)应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击； Rn要5三种电机驱动的特点：1、步进电机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2、DC伺服电机高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制换向器件需维护3、AC伺服电机具有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，维护方便机电一体化系统对伺服电机的基本要求：1、

4、性能密度大5三种电机驱动的特点：1、步进电机转角与数字脉冲成比例，可构6两方面含义功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）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：因为，电机转动时的动力学方程为：因此，比功率为：2、快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；适应启停频繁的工作要求等。6两方面含义功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）功率密度1 5.2 步进电机伺服驱动一、步进电机工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。以反应式步进电机为例说明工

5、作原理：反应式步进电机利用定子绕组通电励磁，产生反应磁阻转矩实现转动。如图示，定子有三对磁极 A-A，B-B，C-C，若转子有40个齿，则转子的齿距角为：定子每相磁极有5个齿，其齿距宽度与转子一样，则相邻两个齿的夹角必定是9。1 5.2 步进电机伺服驱动一、步进电机工作原理步进电机 当A相磁极与转子的齿对齐时，即定子齿与转子齿对齐时，磁导率最大，磁阻最小，就会产生右图所示的B、C相磁极错齿情况：在B相磁极中心线上应是m号齿：显然，B相磁极中心线是转子的第13个齿再过3的地方，即B相磁极的齿与转子齿相差3 同理，C相磁极中心线上应是n号齿：即C相磁极中心线是转子的第26个齿再过6的地方，换而言之

6、，C相磁极的齿与转子齿相差6依次按A-B-C-，A-B-C通电流，转子就跟随磁场一步一步转动，若需反向转动，只需改变通电相序A-C-B，A-C-B。2 当A相磁极与转子的齿对齐时，即定子齿与转子齿对齐时，磁导率3三相反应式步进电机的三种运行方式： 单三拍时： ABC,ABC3三相反应式步进电机的三种运行方式： 单三拍时： A4 双三拍时： 单双拍（即六拍）时：ABBCCA,ABBCCAAABBBCCCA,-AABBBCCCA 4 双三拍时： 单双拍（即六拍）时：ABBCCA,AA机电系统设计第五章课件二、步进电机的种类 按转子结构分为三种：反应式(VR，Variable Reluctance）

7、永磁式(PM，Permanent Magnet)混合式(HB,Hybrid) 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为电机的定子或转子，电磁阻尼大，步矩 角大，启动频率低，功率小 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，成本高步进电机型号表示：二、步进电机的种类 按转子结构分为三种：反应式(VR，VarBF励磁绕组相数或代号反应式(BY永磁式、BYG混合式)步进电机电机外径（mm)三、步进电机的

8、性能参数1、齿距角z：转子相邻两齿的夹角2、步距角：步进电机每接受一个脉冲，转子转过一个固定的角度3、最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值m：定子绕组相数Z：转子的齿数k：通电状态系数K=1 单拍或双拍K=2 单双拍定子绕组每改变一次通电的方式，称为“一拍”BF励磁绕组相数或代号反应式(BY永磁式、BYG混合式)步进四、步进电机的运行特性1、距角特性：单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系2、启动转矩：相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，反映了电机的承载能力5、最高启动频率fq max：步进电机由静止状态不失步达到稳速所允许的最高输入脉冲频率（可以是空载下或有负载下）4

9、、最高运行频率fmax：步进电机不失步运行时，输入脉冲的最高频率绕组的电流越大，静转矩越大，一般取TL=（3050%）Tmax失步丢步：齿距数少于脉冲数越步：齿距数多于脉冲数6、失调角：单相定子通电时，该相定子齿与转子齿的中心线不重合所夹角四、步进电机的运行特性1、距角特性：单相通入额定通电时，其静3、矩频特性：步进电机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系 高速时，负载能力变差，这是其应用受到限制的原因之一由图看出：动态转矩随脉冲频率的升高而降低原因：定子控制绕组有一定的电感量，回路有电气时间常数，电感电流变化有一个过渡过程，达不到电流稳态值。3、矩频特性：步进电机运行时，输出转矩与输入脉冲频

10、率的关系 五、步进电机参数设计1、脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移单位为 mm/pulse= 0.0010.0025 精密机床0.0050.01 数控机床 0.10.15 一般机床角脉冲当量：就是步距角(/pulse)当通过中间传动装置时，角脉冲当量为：M驱动器指令脉冲如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量为：Z1Z2五、步进电机参数设计1、脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。 2、最大静转矩Tmax与相数、拍数一般根据 TL（305

11、0%）Tmax选择Tmax其中TL为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，若相数、拍数较多，可选0.5，否则选0.3，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。3、最高运行频率与速度关系.根据工作台的最高速度vmax选择步进电机最高运行频率fmax由得注意量纲：vmax (m/min) 设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数4、转动惯量与加减速性能步进电机的加减速性能与转动惯量所产生的惯性力矩有关惯性力矩：转动惯量和角加速度越大，步进电机的启动频率越低，加减速性能越差，越容易失步。通过减小步距角和减小转动惯量改善启动、加减速性能5、电机负载转矩计算作用在步进电机轴的总的负载

12、转矩按下式计算：4、转动惯量与加减速性能步进电机的加减速性能与转动惯量所产生6、等效转动惯量的计算其中：Jm是电机轴自身的转动惯量（Kg.m2）Jd是系统折算到电机轴的总的转动惯量（Kg.m2）是电机启动、制动时的角加速度（rad/s2）F 作用在工作台的摩擦力（N）FW作用在工作台的外力（N）伺服系统传动链的总效率（取0.70.85） 丝杠螺母预紧时的传动效率（取0.9）F0丝杠螺母预紧时的力（N） P是丝杠螺距（mm）i是总传动比 基本公式圆柱体其中：6、等效转动惯量的计算其中：Jm是电机轴自身的转动惯量（Kg Jd的计算对上图所示的的系统，折算到电机轴的转动惯量Jd由几部分组成： 电机轴

13、的转动惯量Jm 齿轮Z1的转动惯量JZ1 齿轮Z2的转动惯量JZ2和丝杠的转动惯量JS折算到电机轴的转动惯量 工作台折算到电机轴的转动惯量对于直线移动的工作台，折算到丝杠轴的转动惯量为：丝杠轴折算到电机轴的转动惯量为：因此，折算到电机轴的等效转动惯量Jd为： Jd的计算对上图所示的的系统，折算到电机轴的转动惯量Jd由对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：对于带传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：R为齿轮分度圆半径为驱动轴的角速度v为工作台的速度六、步进电机的驱动控制电路步进电机使用脉冲电源工作，其驱动电路方式有多种： 单电压驱动（见p55）对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动

14、轴的转动惯量为：对于带传 双电压驱动（见p56） 斩波恒流驱动（电流驱动） 双电压驱动（见p56） 斩波恒流驱动（电流驱动） 细分驱动对控制绕组中的电流进行细分，把步距角细分成若干步完成CLK 细分驱动对控制绕组中的电流进行细分，把步距角细分成若干步完六、步进电机的单片机控制步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机（或计算机）产生，其基本控制作用如下： 控制换相顺序（也称脉冲分配） 控制转向（正反序通电） 控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）六、步进电机的单片机控制步进电机的驱动电路根据控制信号工作， 5. 3 直流伺服电机驱动一、直流伺服电机及其驱动系统直流伺服电机类型电

15、励磁：励磁量容易调整，成本低，效率低永久磁铁：不需励磁功率，效率高，性能好驱动系统组成： 直流伺服电机 转速或位置反馈装置 直流电源及驱动电路 接口电路电枢控制原理：控制电枢绕组中的电流大小和方向，就可以控制电机的转速和方向，输出一定的电磁转矩，转速的大小通过转速传感器（编码器）检测并反馈。图1 电枢控制原理 5. 3 直流伺服电机驱动一、直流伺服电机及其驱动系统二、直流伺服电机的特性 机械特性 调节特性当控制电压恒定时，电机的转速与转矩变化的关系静态特性：当电磁转矩恒定时，电机的转速与控制电压变化的关系图2 直流电机的静态特性二、直流伺服电机的特性 机械特性 调节特性当控制电压恒定时，三、直

16、流伺服电机驱动系统设计动态特性：当在电枢上外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，即：n=f(t)或 =f(t)1、直流电机的选择2、设计的要求 根据负载的大小，选择小惯量电机或大惯量电机（也称力矩电机） 稳态转矩和动态转矩满足要求 折算到电机轴的负载总转动惯量小于或等于电机的转动惯量启动、制动、加速、减速稳定运行，低速或重载 满足稳态转矩要求1、2、 满足动态转矩要求三、直流伺服电机驱动系统设计动态特性：当在电枢上外加阶跃电压四、直流伺服电机的调速其中：Tq为启动转矩TL为负载转矩为加速转矩Tf为摩擦转矩加速过程近似线性过程，则加速转矩为：其中：nm为最高转速为最高角速度 频繁启制动或负载经常

17、变化时，转矩均方根值小于电机额定转矩根据等效发热准则，有：其中：Tn为额定转速t为整个工作时间（或周期）Tt为瞬时转矩四、直流伺服电机的调速其中：Tq为启动转矩TL为负载转矩为加有三种调速方法： 电枢控制调速（即恒转矩调速）：不同的转速时， 磁场控制调速（即恒功率调速）：不同的转速时， 混合调速（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.如进给伺服系统如小惯量高速伺服系统有三种调速方法： 电枢控制调速（即恒转矩调速）：不同的转速时 5. 4 交流伺服电机驱动一、交流伺服驱动系统组成由伺服电机和伺服驱动器组成 伺服电机包括永磁同步电机、鼠笼式异步电

18、机、无刷直流电机 伺服驱动器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系统二、异步交流伺服电机 5. 4 交流伺服电机驱动一、交流伺服驱动系统组成由伺服转速公式：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f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 控制方式当负载转矩一定时，通过调节控制电压的大

19、小或相位达到改变电机转速的目的，有三种方式：转速公式：其中：f为电源频率s为转差率p为极对数n0为同步转 幅值控制：调节控制电压幅值大小，改变转速 相位控制：调节控制电压的相位角，改变转速 幅值相位控制（电容控制）：调节控制电压时，相位角随之改变，达到改变转速目的 工作特性1、 机械特性：转速和电磁转矩的关系曲线 2、调节特性：转速和控制电压的关系曲线图3 交流电机的静态特性控制绕组励磁绕组 幅值控制：调节控制电压幅值大小，改变转速 相位控制：调节控3、 输出特性 P=f(n)：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，输出功率为零，输出功率的最大值在n=5

20、5%n空转。 4、动态特性 n=f(t)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数类似，因此，理想时，二者的动态性相似三、同步交流伺服电机包括永磁同步交流电机和无刷直流电机1、永磁同步交流电机PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）：2、无刷直流电机BDCM（Brushless DC Motor）：用永磁体转子代替绕线式转子的励磁绕组，省却了励磁线圈、滑环、电刷等。将直流同步电机的定子永磁励磁改为永磁体转子励磁，直流电机的电枢电流改为定子三相绕组正、负方波电流，带有电子换相器，其控制方式与交流伺服类似。3、 输出特性

21、P=f(n)：控制电压不变时，输出功率和转速四、交流伺服电机的矢量控制直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩的控制容易，动态性好，而交流电机的电枢电流不容易得到，转矩的动态控制较困难，进行矢量控制的目的就是模拟直流电机的转矩控制规律三相交流量两相交流量交流/直流变换逆变换等效直流量还原三相交流量实现转矩和转速控制五、交流伺服驱动系统的选择 电机选择 成本 转矩惯量比 功率密度 调速范围四、交流伺服电机的矢量控制直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩 对传感器要求 转矩脉动性 转矩速度曲线 对传感器要求 转矩脉动性 转矩速度曲线 5. 3 伺服机械传动系统设计一、系统方案确定典型的开环控制位置伺服系统是

22、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 执行元件的选择 传动机构方案的选择 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，要考虑负载能力、调速范围、体积、成本等因素。 5. 3 伺服机械传动系统设计一、系统方案确定典型的开 执行机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械

23、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，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即 执行机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件和执行

24、机构二、开环伺服机械系统设计计算 确定脉冲当量，初选步进电机 控制系统方案的选择导轨的选择：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 =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二、开环伺服机械系统设计计算 确定脉冲当量，初选步进电机 控 计算系统转动惯量 确定减速传动比按产品样本中给出的主要技术参数选用传动比公式：计算出的传动比较小时

25、，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目的：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： 计算系统转动惯量 确定减速传动比按产品样本中给出的主要技术 确定步进电机动力参数折算到电机轴的等效转动惯量Jd计算公式为：步进电机负载转矩计算：步进电机最大静转矩确定： 确定步进电机动力参数折算到电机轴的等效转动惯量Jd计算公式 验算惯量匹配步进电机最大启

26、动频率确定：步进电机最大运行频率确定：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=0.1-0.6kgm2） 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。 验算惯量匹配步进电机最大启动频率确定：步进电机最大运行频率 计算传动系统刚度通过减速传动比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图示 丝杠副传动系

27、统的力学模型m2KBKCminKBRKNKNR传动系统的传动刚度为：此公式计算的主要是拉压刚度，而丝杠本身的扭转刚度比拉压刚度大的多，一般不予考虑扭转刚度计算公式为：G为切变摸量 计算传动系统刚度通过减速传动比i和丝杠导程p的合理搭配，使 计算死区误差 计算定位误差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：F为轴向负载力由于传动刚度变化引起定位误差为：对于开环系统为系统允许的定位精度 计算死区误差 计算定位误差死区误差又称之为失动量，指启动或 验算

28、固有频率固有频率的计算公式为：m 是工作台质量或工作台丝杠 验算固有频率固有频率的计算公式为：m 是工作台质量或工作台三、开环伺服机械系统误差分析 误差来源 误差校正 步进电机：步进电机的步距误差，一般在 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； 齿轮传动：齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差； 滚珠丝杠副传动：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； 其它传动装置：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。1、机械校正：提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转动惯量、提高传动刚度

29、、提高固有频率等；2、电子校正：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，补偿电路三、开环伺服机械系统误差分析 误差来源 误差校正 步进电机：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。例: 测量得到的反向死区误差为0.016mm，系统的脉冲当量为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？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。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，提高精度。拨码开关应预

30、置到3档，消除误差为 3*0.005=0.015mm反馈补偿型的开环控制系统原理如下：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，补步进电机M驱动器指令脉冲混合器脉冲补偿感应同步器测试器e=s机-s电补偿脉冲步进M驱动器指令脉冲脉冲感应同步器测试器e=s机-s电补偿脉四、闭环伺服机械系统设计计算采用步进细分电路校正误差： 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，特别是提高了低速时的平滑性。 选择伺服电机类型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：调速范围宽且稳定，速比

31、大，低速（0.1r/min）时,速度稳定性仍好；负载特性硬（受负载冲击，速度稳定性好），过载能力强；响应速度快，从零转速到1500r/min，时间在0.2s内，角加速度达400rad/s2能够频繁启动、制动、反转、加减速等。国外伺服电机品牌：德国：SIEMENS公司、INDRAMAL公司等 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： 实质美国：AB公司、PARKER公司 法国：ALSTHOM公司 国内伺服电机生产厂家较多，集中在华东和华南地区 选择导轨种类，确定阻尼比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。静压导轨：0.02滑动导轨：0.02-0.3滚动导轨：0.02-0.05 确定系统增益 k 和机械传动链的固有频率根据控制精度及系统稳定性的要求，一般取 k= 815/s由系