伺服系統(tǒng)設計

1、TCCRCUn2teeccUReCtC永磁直流電動機當電樞在磁場中轉(zhuǎn)動時，線圈中也要產(chǎn)生感應電動勢e，這個電動勢的方向與電流或外加電壓的方向總是相反，所以稱為反電勢，它與發(fā)電機中電動勢的作用是不同的。直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、換向器三部分組成。直流電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、換向器三部分組成。PWMPWM放大器的優(yōu)點放大器的優(yōu)點是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率(例如2000HZ)的方波電壓，加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，sonABU) 1Tt

2、2(U)11 ()(2sTKsGivfvKsG)(3fpKsG)(41)(15sTksGisddddddEUiRdtdiLdtdCCEededdmdiCMdtdBdtdJMd22) 1()(26sTsTsKsGmddmedmdCCBRCKmedddCCBRJLTmedddmCCBRBLJRTdLdRBmCdTmTeCJ 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結(jié)構(gòu)圖杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結(jié)構(gòu)圖1 1勵磁繞組勵磁繞組 2 2控制繞組控制繞組 3 3內(nèi)定子內(nèi)定子 4 4外定子外定子 5 5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的接線圖交流伺服電動機的接線圖)1 ()1 (600snpsfn幅值控制原理圖幅值控制原理圖 不同控制電壓下的

3、不同控制電壓下的 機械特性曲線機械特性曲線 由右圖可知，在一定負載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率由右圖可知，在一定負載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動機的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓對應著不同的轉(zhuǎn)越小，電動機的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓對應著不同的轉(zhuǎn)速。這種維持與相位差為速。這種維持與相位差為90，利用改變控制電壓幅值大小來，利用改變控制電壓幅值大小來改變轉(zhuǎn)速的方法，稱為幅值控制方法。改變轉(zhuǎn)速的方法，稱為幅值控制方法。 Zm0360Zm334013360360Zkm45 .km五、步進電機參數(shù)設計五、步進電機參數(shù)設計iM驅(qū)動器驅(qū)動器指令脈沖指令脈沖Z1Z2ip360

4、2 2、最大靜轉(zhuǎn)矩、最大靜轉(zhuǎn)矩T Tmaxmax與相數(shù)、拍數(shù)與相數(shù)、拍數(shù)3 3、最高運行頻率與速度關(guān)系、最高運行頻率與速度關(guān)系maxmaxfv350maxmaxvf4 4、轉(zhuǎn)動慣量與加減速性能、轉(zhuǎn)動慣量與加減速性能dtdJM5 5、電機負載轉(zhuǎn)矩計算、電機負載轉(zhuǎn)矩計算ipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00max6 6、等效轉(zhuǎn)動慣量的計算、等效轉(zhuǎn)動慣量的計算0281mdJ ldm242)(2pMJ 22)2(12pJJiJMsz22)2(121pJJiJJJMszzmd2)(vMJ 2RMJ 六、步進電機的驅(qū)動控制電路六、步進電機的驅(qū)動控制電路CLK六、步進電機的單片機控

5、制六、步進電機的單片機控制脈沖分配脈沖分配軟件脈沖分配軟件脈沖分配 典型的開環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)、數(shù)控x、y工作臺、機器人的關(guān)節(jié)移動等。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示：PC機驅(qū)動器執(zhí)行元件傳動機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)方案確定實質(zhì)是對上述各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇設計直線氣缸擺動氣缸氣馬達氣爪繼電器定時器電子元件計數(shù)器順序控制器氣動控制元件氣源氣源處理裝置 壓力控制閥 方向控制閥 流量控制閥 驅(qū)動裝置 操作裝置指示裝置 檢測裝置控制(運算) 回路按扭開關(guān)選擇開關(guān)按扭閥指示器計數(shù)器蜂鳴器限位開關(guān)限位閥接近開關(guān)傳感器壓力開關(guān)真空開關(guān)速度控制閥緩沖閥快速排氣閥電磁閥氣控閥人工換向閥機控換向閥減壓閥增壓閥安全閥空氣

6、壓縮機過濾器油霧器油霧分離器驅(qū)動部分驅(qū)動部分控制部分控制部分檢測部分檢測部分 傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機構(gòu)之間的一個機械接口，用于對運動和力進行變換和傳遞，伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件以輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機構(gòu)多為直線運動或旋轉(zhuǎn)運動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動機構(gòu)有： 絲杠螺母傳動同步齒型帶傳動齒輪齒條傳動直線電機傳動最常用步進電機與絲杠螺母間的運動傳遞可能有多種形式：采用同步齒型帶傳動絲杠：中心距較大通過減速器傳動絲杠：減速器作用是配湊脈沖當量、轉(zhuǎn)矩放大、 慣量匹配等通過聯(lián)軸器直接相連：結(jié)構(gòu)簡單，可獲得高速，對電機負載能 力要求較高 執(zhí)行機構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是進行實際操作的機構(gòu)

7、，執(zhí)行機構(gòu)中一般含有導向機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)方案的選擇主要是指導向機構(gòu)的選擇，即導軌的選擇：滾動導軌氣浮導軌、液體導軌塑料貼面滑動導軌dxJ21212121jnjjimiiJVME221ddxdxJE2112minjdjjdiidxJVMJEEdxdminjjjiitTtVFW11tddtTWdddWWdminjdjjdiidTVFT11nTdTddxgJTdgdTTTgdTTT55. 9maxmaxnTJTPPPddxd）（maxmaxnPPPpi360pPrpn/48075.036000mm01. 0inp25. 101. 04806npi2434401031.11321085. 71402 .

8、 314. 332mkglDJs324bdJG241102 . 0mkgJG24210481. 0mkgJG2622102 .11)2(mkgipgWJW242211076. 7mkgiJJJJJSGwGemNWiPMf1146. 025. 18 . 014. 32106200006. 01123mNiPFMP13. 0)9 . 01 (325. 18 . 014. 32006. 02150)1 (222000n24107 . 9mkgJmmNtnJJJMamea6550. 3)60)0(2)(maxmaxmin/62536075. 001. 03000360maxmaxrvnbmNMMMMf

9、aq8996. 30maxmNipFWFMyzt415.22)(mNMMMMtfc66. 2415. 213. 01146. 00mNMMMfk2246. 013. 01146. 00425. 176. 77 . 91cmJJHzJJffmemL6 .11928 . 0116001LqfHzvf500001. 060300060maxLcfHzvf3 .83301. 06050060max1nnnnmmmmasasasabsbsbsbsG11101110)(js nnnnmmmmajajajabjbjbjbjG)()()()()()()(11101110)()()()()(jejGjvujGj

10、s 其中，其中，)()()(22vujG)sin()(tXtx)()(arctan)(uv幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性已知系統(tǒng)的頻率特性，當系統(tǒng)的輸入為正弦信號時，已知系統(tǒng)的頻率特性，當系統(tǒng)的輸入為正弦信號時，容易求得輸出為：容易求得輸出為：)(sin()()(tjGXty)(lg20)(jGL)()(arctan)(uvoL180)(, 0)(oL180)(, 0)()(180)180()(gcoogcM)(lg20pcMAG四、開環(huán)伺服機械系統(tǒng)設計計算四、開環(huán)伺服機械系統(tǒng)設計計算根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定，對于開環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取 =0.005-0.01mm/pulse 初選步進電機指：選擇

11、步進電機的類型和步矩角混合式：兼以上二者優(yōu)點，但價格高反應式： 小、f 高、價格低，功耗大永磁式： 大、f 低，功耗小，斷電后仍有制動力矩按產(chǎn)品樣本中給出的主要技術(shù)參數(shù)選用傳動比公式：360pi 計算出的傳動比較小時，采用一級齒輪傳動或同步帶傳動傳動比較大時，采用多級齒輪傳動齒輪傳動級數(shù)增加時，使齒隙和靜摩擦增加，傳動效率降低，故傳動級數(shù)一般不超過3級。 傳動級數(shù)的分配原則：傳動比逐級增加（或前小后大原則），使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。JJ23i電動機1J4i12J2221421321iiJiJJJJme413132dgBJJ42232dgBJ44432dgBJ4141212iddJJ4142434

12、4141434)/(iiiddddJJJJ 4112iJJ4114214)/( iiJiJJ)11 (41221211iiiiJJme01iJem21412iiniiii321max)/(1maxnkknkikkni為選擇步進電機動力參數(shù)及進行系統(tǒng)動態(tài)分析做基礎圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式：圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式：324ldJ22)2(1(21pJJiJJJMszzmdipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00max5 . 03 . 0maxmsTT根據(jù)啟動頻率特性曲線：Tq 對應的 fqmax ，實際運行的fq fqmax根據(jù)運行頻率特性曲線：TL 對應的 fmax ，實際運

13、行的f fmax電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量與電機軸自身的轉(zhuǎn)動慣量應控制在：小慣量電機（Jm=0.00005kgm2）大慣量電機（Jm=0.1-0.6kgm2） 141mdJJ31mdJJ比值太大，系統(tǒng)動特性受負載變化干擾；比值太小，不經(jīng)濟，大馬拉小車。通過減速傳動比i和絲杠導程p的合理搭配，使慣量匹配趨于合理。傳動系統(tǒng)的力學模型可以簡化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)傳動系統(tǒng)的力學模型可以簡化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示圖示 絲杠副傳動系統(tǒng)的力學模型絲杠副傳動系統(tǒng)的力學模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動系統(tǒng)的傳動剛度為：傳動系統(tǒng)的傳動剛度為：NRNCBRBKKKKKK1111211minmi

14、n此公式計算的主要是此公式計算的主要是，而絲杠本身的，而絲杠本身的比拉壓剛度大的比拉壓剛度大的多，一般不予考慮多，一般不予考慮)/(324radmNlGdKTG為切變摸量死區(qū)誤差又稱之為失動量，指啟動或反向時，系統(tǒng)的輸入與輸出死區(qū)誤差又稱之為失動量，指啟動或反向時，系統(tǒng)的輸入與輸出運動間的差值運動間的差值產(chǎn)生死區(qū)誤差的原因產(chǎn)生死區(qū)誤差的原因電氣系統(tǒng)和執(zhí)行元件的啟動死區(qū)（不靈敏區(qū)）傳動機構(gòu)中的間隙導軌副間的摩擦力由綜合拉壓剛度而產(chǎn)生的死區(qū)誤差：由綜合拉壓剛度而產(chǎn)生的死區(qū)誤差：min0KFF為軸向負載力由于傳動剛度變化引起定位誤差為：由于傳動剛度變化引起定位誤差為：)11(max0min0KKFk

15、對于開環(huán)系統(tǒng)對于開環(huán)系統(tǒng))5131(k為系統(tǒng)允許的定位精度固有頻率的計算公式為：固有頻率的計算公式為：mKnminm m 是工作臺質(zhì)量或2131mmm工作臺絲杠五、開環(huán)伺服機械系統(tǒng)誤差分析五、開環(huán)伺服機械系統(tǒng)誤差分析步進電機的步距誤差，一般在步進電機的步距誤差，一般在 左右，突然啟動時有滯后，左右，突然啟動時有滯后， 停止時有超前，從整個系統(tǒng)的誤差看，這一誤差較小，通常忽略不計；停止時有超前，從整個系統(tǒng)的誤差看，這一誤差較小，通常忽略不計；51 齒輪副的傳動誤差和間隙會對系統(tǒng)造成誤差；齒輪副的傳動誤差和間隙會對系統(tǒng)造成誤差；滾珠絲杠副的軸向間隙產(chǎn)生誤差，而且由于綜合拉壓滾珠絲杠副的軸向間隙產(chǎn)生

16、誤差，而且由于綜合拉壓 剛度不足，會產(chǎn)生傳動誤差；剛度不足，會產(chǎn)生傳動誤差；聯(lián)軸器、齒型帶傳動和諧波齒輪傳動等都會對系統(tǒng)造成聯(lián)軸器、齒型帶傳動和諧波齒輪傳動等都會對系統(tǒng)造成 傳動誤差。傳動誤差。1、機械校正：、機械校正：提高機械裝置自身的精度，減少誤差，如消隙、減少等效轉(zhuǎn)提高機械裝置自身的精度，減少誤差，如消隙、減少等效轉(zhuǎn)動慣量、提高傳動剛度、提高固有頻率等；動慣量、提高傳動剛度、提高固有頻率等；2、電子校正：、電子校正：反向死區(qū)補償：反向死區(qū)補償： 利用反向死區(qū)補償電路調(diào)整撥碼開關(guān)進行補償，補償電路利用反向死區(qū)補償電路調(diào)整撥碼開關(guān)進行補償，補償電路12341233 4 5 6 7123456

17、78絲杠側(cè)螺母A 螺母B調(diào)整墊片預拉方向預拉方向預緊方向墊片預緊方向絲杠側(cè)螺母側(cè)絲杠側(cè)螺母側(cè)承載滾珠間隔鋼球?qū)С虒С?導程絲杠側(cè)螺母側(cè)預拉方向預拉方向電路具有自動判斷方向的改變，并在反向時發(fā)出補償命令的功能，補償脈電路具有自動判斷方向的改變，并在反向時發(fā)出補償命令的功能，補償脈沖可以達到幾百個。沖可以達到幾百個。例例: 測量得到的反向死區(qū)誤差為測量得到的反向死區(qū)誤差為0.016mm0.016mm，系統(tǒng)的脈沖當量為，系統(tǒng)的脈沖當量為0.005mm/pulse,0.005mm/pulse,試問撥碼開關(guān)應預置到哪一檔才能實現(xiàn)死區(qū)的補償？試問撥碼開關(guān)應預置到哪一檔才能實現(xiàn)死區(qū)的補償？數(shù)字仿真誤差校正：

18、數(shù)字仿真誤差校正： 預先將誤差的數(shù)學模型輸入計算機，計算機一邊輸預先將誤差的數(shù)學模型輸入計算機，計算機一邊輸出工作指令，一方面計算誤差，輸出校正指令，形成附加運動，用以校正出工作指令，一方面計算誤差，輸出校正指令，形成附加運動，用以校正位移誤差。位移誤差。反饋補償誤差校正：反饋補償誤差校正： 采用反饋補償型的開環(huán)控制系統(tǒng)減小系統(tǒng)的誤差，采用反饋補償型的開環(huán)控制系統(tǒng)減小系統(tǒng)的誤差，提高精度。提高精度。撥碼開關(guān)應預置到撥碼開關(guān)應預置到3 3檔，消除誤差為檔，消除誤差為 3 3* *0.005=0.015mm0.005=0.015mm反饋補償型的開環(huán)控制系統(tǒng)原理如下：反饋補償型的開環(huán)控制系統(tǒng)原理如下

19、：步進步進電機電機M驅(qū)動器驅(qū)動器指令指令脈沖脈沖混合器混合器脈沖脈沖補償補償感應同步器感應同步器測試器測試器e=se=s機機-s-s電電補償脈沖補償脈沖六、閉環(huán)伺服機械系統(tǒng)設計計算六、閉環(huán)伺服機械系統(tǒng)設計計算采用步進細分電路校正誤差：采用步進細分電路校正誤差： 實質(zhì)上是減小了步進電機的步距角即角脈實質(zhì)上是減小了步進電機的步距角即角脈沖當量，使轉(zhuǎn)子達到新穩(wěn)定點時的動能減小，振動減小，精度提高，特別沖當量，使轉(zhuǎn)子達到新穩(wěn)定點時的動能減小，振動減小，精度提高，特別是提高了低速時的平滑性。是提高了低速時的平滑性。交流伺服電機和直流伺服電機各有其有特點，根據(jù)系統(tǒng)要求確定，對于伺服進給系統(tǒng)而言，要求伺服電機具有：v調(diào)速范圍寬且穩(wěn)定，速比大，低速（0.1r/min）時,速度穩(wěn)定性仍好；v負載特性硬（受負載沖擊，速度穩(wěn)定性好），過載能力強；v響應速度快，從零轉(zhuǎn)速到1500r/min，時間在0.2s內(nèi)，角加速度達400rad/s2v能夠頻繁啟動、制動、反轉(zhuǎn)、加減速等。德國：SIEMENS公司、INDRAMAL公司等 美國：AB公司、PARKER公司 法國：ALSTHOM公司 由實驗可得到