機電一體化系統(tǒng)設計04(伺服系統(tǒng))

1、第三章 伺服系統(tǒng)設計伺服系統(tǒng)設計 在機電一體化控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定的準確度在機電一體化控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定的準確度跟隨輸入量的變化為變化的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)。跟隨輸入量的變化為變化的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)。它用來控制被控對象的轉角（或位移），使其能自動地連續(xù)地，它用來控制被控對象的轉角（或位移），使其能自動地連續(xù)地，精確地復現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。其組成如下圖：精確地復現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。其組成如下圖：伺服系統(tǒng)的基本要求：穩(wěn)定性;-固有特性 精度及系統(tǒng)誤差；-動態(tài)、穩(wěn)態(tài)、靜態(tài)快速響應性及調速范圍常用的電力電子器件常用的電力電子器件:晶閘管晶閘管 導通條件

2、是指晶閘管從阻斷到導通所需的條件。這個條件是在晶閘管的陽極加上正向電壓，同時在控制極上加上正向電壓。關斷條件是指晶閘管從導通到阻斷所需的條件。晶閘管一旦導通，控制極就對晶閘管不起作用了。只有當流過晶閘管的電流小于晶閘管導通所需的電流即維持電流時，晶閘管才關斷。SCR的控制信號和輸出波形G+，導通G-，截止復合晶體管，電流放大系數(shù)大電壓控制，輸入阻抗高，抗過載，抗干擾電容作用伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件三種電機驅動的特點：轉角與數(shù)字脈沖成比例，可構成直接數(shù)字控制構成廉價的開環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡單高響應、高功率密度可實現(xiàn)高精度的數(shù)字控制換向器件需維護具有DC伺服電機的全部優(yōu)點無接觸換向器件，維護方便3.

3、1 步進電動機驅動及其控制1. 1. 步進電動機的特點：步進電動機的特點：步進電動機是將電脈沖信號轉換成角位移（或線位移）的一種機電式數(shù)模轉換器。轉角與脈沖，速度與頻率成正比，運動方向與通電順序相關。定位精度高，且無累積誤差。轉換速度慢，毫秒級與一般的伺服電機比較：可以直接實現(xiàn)數(shù)字控制，在開環(huán)系統(tǒng)中可以達到高精度的定位和調速，位置誤差不會累積。步進電機的種類步進電機的種類2. 2. 步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理，錯齒產生力矩，錯齒產生力矩，是助使步進電機是助使步進電機旋轉的根本原因。旋轉的根本原因。11360360360*46124*334013360360Zkm3603603 2

4、 401.5mkZ v五相步進電機 步距角及步距精度 步進電動機定子繞組通電狀態(tài)每變一次，轉子轉過的角度，常用數(shù)控機床為0.53，步距角小，加工精度高。 步距精度指理論步距角與實際步距角之差，以分表示。主要是由步進電機齒距制造誤差、定子和轉子間氣隙不均勻、各相電磁轉矩不均勻造成的。3. 步進電動機的主要特性步進電動機的主要特性 啟動頻率與慣頻特性步進電機由靜止突然啟動，進入不失步的正常運行所允許的最高頻率。與負載的轉動慣量有關 運行頻率與矩頻特性步進電機由轉子運行的過渡過程尚未達到穩(wěn)定值時產生的轉矩，即某一頻率下的最大負載轉矩。與電磁常數(shù)有關。 矩角特性空載時，若步進電機某相通以直流電流，則該

5、相對應的定、轉子齒槽對齊。此時轉子上無力矩輸出。如果此時在電機軸上加一負載力矩M，則轉子要相應力矩的方向轉一個角才能重新穩(wěn)定下來，此時轉子上的電磁力矩Mj與負載力矩M相等。 Mj稱為靜態(tài)力矩， 稱為失調角。 Mj =f()稱為矩角特性。近似正弦。sinmaxTTjMjmax為最大靜態(tài)力矩，曲線A和B的交點Mq是電機運行狀態(tài)的最大啟動啟動力矩。步進電機控制信號的產生步進電機控制信號的產生4. 4. 步進電動機控制驅動步進電動機控制驅動硬件環(huán)分軟件環(huán)分+ 功率驅動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單電壓驅動及其改進a)圖（a）中，Ra為電動機一相繞組內阻，L為其電感，VT是大功率管，Rc是外接電阻，VD是續(xù)流管。由于caRRLRa很小，如不接Rc，則時間常數(shù)大，VT由截止變?yōu)閷〞r，電流上升慢，影響啟動頻率。串接Rc可減小時間常數(shù)，使脈沖電流的前沿變陡，從而改善頻率響應。但Rc使整個系統(tǒng)效能降低。b)圖（b）在外接電阻Rc上并接一個電容（與加速電容作用相同），改善注入電流脈沖前沿狀況。增加注入繞組的平均電流值。（開始電阻相當于被短接）。c)圖（c）在VD支路加接泄放電阻R，減少時間常數(shù)，

7、使脈沖電流的后沿變陡，有利于提高電機的高頻性能，但使低頻變壞，對轉子阻尼變弱，易引起低頻共振區(qū)運行不平穩(wěn)。高低壓驅動（用得廣泛）+80V+12V如圖，則在t1t2時間內，VT1、VT2均飽和導通，+80V的電源經VT1、VT2管加到電機繞組L上，使其電流迅速上升，當時間達到t2， VT2截止，電機繞組電流由+12V經VT1維持，此時電機電流下降到額定值，直到t3 ， VT1截止，繞組電流經高壓源E1，地，E2，V2放電，下降到零。優(yōu)點：功耗小，啟動力矩大，工作頻率高。缺點：大功率管數(shù)量多，增加驅動電源成本。 恒流斬波驅動電路電流取樣電阻電壓比較器參考值設定 由于步進電機轉子本身慣量大，尤其帶了

8、負載后，啟動頻率將會大大下降。為使步進電機能在較高的頻率下工作，可對其升降速度進行控制，使脈沖信號能按一定的規(guī)律升頻和降頻。5. 5. 步進電動機自動升降速控制步進電動機自動升降速控制工作原理：工作原理： 設Pa為控制脈沖，其頻率為fa，Pb為實際送入電機的工作脈沖，其頻率為fb。 Pa和Pb都經同步器送入可逆計數(shù)器。同步器的作用在于保證不丟失Pa和Pb ，并使Pa送入可逆計數(shù)器時作加法，Pb送入可逆計數(shù)器時作減法，可逆計數(shù)器記下的是控制脈沖與實際脈沖之差N，將此數(shù)通過數(shù)字電位器轉換成電阻值R的變化，進而改變振蕩頻率。v電路設計成平滑系統(tǒng)，當輸入量fa為階躍值時，輸出量fb是緩慢變化的，從而達

9、到自動升降速的目的。v只有當N不為零時，才有輸出脈沖。v在進給開始時， fa fb，振蕩器頻率低，反饋脈沖小于輸入脈沖，N增大， fb逐漸增大，經過t時間， fa= fb，N不變，升速結束。進入恒速。到達終點， fa=0 fb ，N減少， 振蕩器頻率降低，fb 逐漸減少，直到N=0，振蕩停止，步進電機停止工作。v常用的升降速規(guī)律圖a為線性升降速，以恒定的加速度，容易實現(xiàn)，方法簡單，但加速時間較長。圖b為指數(shù)曲線，由步進電機的矩頻特性推導來，符合電機加減速規(guī)律，快速響應好，縮短了升降速時間。圖c為拋物線，這種方法充分利用步進電機低速時的有效轉矩，升降速時間大大縮短。v運動控制系統(tǒng)步進電機伺服系統(tǒng)

10、設計步驟1、脈沖當量的選擇2、等效負載轉矩計算 空載摩擦轉矩Tlf 加工時的負載轉矩TL3、等效轉動慣量計算 滾珠絲杠的Js， 工作臺運動換算到電機軸上的Jw 大齒輪和小齒輪的Jg4、初選步進電機型號 5、速度的驗算 快進和工進速度21,360zliiz3.2 直流伺服電動機驅動及其控制1.1.直流伺服電動機的特點：直流伺服電動機的特點： 響應速度高、精度高、響應速度高、精度高、調速范圍廣、控制特性優(yōu)調速范圍廣、控制特性優(yōu)良。良。 其原理與普通直流電機其原理與普通直流電機相同，由磁極、電樞、電相同，由磁極、電樞、電刷和換向片組成。但外形刷和換向片組成。但外形細長，轉動慣量小，以滿細長，轉動慣量

11、小，以滿足快速響應的要求。足快速響應的要求。基本結構2.2.控制方式：控制方式：圖5.52 直流電機模型根據(jù)上式，控制方式有根據(jù)上式，控制方式有a2(1)(2)(3)(4)kaaaaetakee tUEI REcnTcIUTRncc c電樞電壓電樞反電勢電磁轉矩轉速因此，有三種調速方法： （即恒轉矩調速）：不同的轉速時， （即恒功率調速）：不同的轉速時， 即恒功率調速），如主軸伺服驅動，在額定轉速以下為恒轉矩調速，在額定轉速以上為恒功率調速.constITL如進給伺服系統(tǒng)如小慣量高速伺服系統(tǒng).constIP3.3.直流伺服電動機的特性：直流伺服電動機的特性： 機械特性：電壓恒定時，機械特性：電

12、壓恒定時，電動機轉速隨負載轉矩電動機轉速隨負載轉矩變化的關系。變化的關系。1)1)當當T=0T=0時，時，n0n0為理想空載為理想空載轉速。轉速。2)2)當當n=0n=0時，時，T T為啟動轉矩為啟動轉矩或堵轉轉矩。許多工程或堵轉轉矩。許多工程機械如電鏟就工作于堵機械如電鏟就工作于堵轉轉矩轉轉矩 機械特性2kkee tUTRnccc4.4.直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)用直流伺服電動機作為執(zhí)行元件的伺服系用直流伺服電動機作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)。常用的有晶閘管統(tǒng)。常用的有晶閘管- -直流電機調速系統(tǒng)和直流電機調速系統(tǒng)和大功率晶體管脈寬調制大功率晶體管脈寬調制(PWM)(PWM)調速系統(tǒng)。調速系統(tǒng)。4.

13、1 4.1 晶閘管晶閘管- -直流電機調速系統(tǒng)直流電機調速系統(tǒng)1)1)組成：轉速調節(jié)器組成：轉速調節(jié)器ASRASR、電流調節(jié)器、電流調節(jié)器ACRACR、測速發(fā)電機測速發(fā)電機TGTG、電流互感器、電流互感器TATA、晶閘管觸、晶閘管觸發(fā)器發(fā)器ATAT、晶閘管、晶閘管URUR及伺服電動機。及伺服電動機。直流伺服系統(tǒng)為消除系統(tǒng)靜差并提高系統(tǒng)的快速響為消除系統(tǒng)靜差并提高系統(tǒng)的快速響應，常采用應，常采用PIPI調節(jié)器作為轉速調節(jié)器調節(jié)器作為轉速調節(jié)器ASRASR和電流調節(jié)器和電流調節(jié)器ACRACR。PIPI調節(jié)器的特調節(jié)器的特性：性：比例積分調節(jié)器輸出電壓輸出電壓u uscsc第一部分是比例部分，在輸?shù)?/p>

14、一部分是比例部分，在輸入電壓入電壓u usrsr加上的瞬間加上的瞬間,C,C1 1相當于短路，此時相當于短路，此時只相當于比例調節(jié)器，輸出電壓只相當于比例調節(jié)器，輸出電壓u uscsc=K=Kp pu usrsr，毫無延遲，調節(jié)速度快。第二部分是積分部毫無延遲，調節(jié)速度快。第二部分是積分部分，隨著分，隨著C C1 1充電，不斷上升，上升快慢取決充電，不斷上升，上升快慢取決于于i i。正因為這種積累、保持特性，所以。正因為這種積累、保持特性，所以能消除靜態(tài)誤差。能消除靜態(tài)誤差。PIPI調節(jié)器飽和后，將維持調節(jié)器飽和后，將維持輸出值恒定，只有超調，也就是輸入為負，輸出值恒定，只有超調，也就是輸入為

15、負，才能退出飽和。才能退出飽和。dtuuKusrisrpsc12)2)雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性(1)(1)系統(tǒng)正常運行時，兩個調節(jié)器都不飽和，系統(tǒng)正常運行時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都為零。穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都為零。LiinnIUUnUU*由于由于ASRASR不飽和，則不飽和，則I IL LI I IN N （額定電流）。在（額定電流）。在兩個調節(jié)器均不飽和兩個調節(jié)器均不飽和時運行于右圖靜特性時運行于右圖靜特性n n0 0-A-A段：段：(2)(2)轉速調節(jié)器飽和，轉速調節(jié)器飽和，ASRASR輸出達到限幅值，輸出達到限幅值，轉速外環(huán)開環(huán)，轉

16、速變化對系統(tǒng)不產生影響，轉速外環(huán)開環(huán)，轉速變化對系統(tǒng)不產生影響，此時只有電流環(huán)（內環(huán)）起作用。此時：此時只有電流環(huán)（內環(huán)）起作用。此時：LmimLIUI*I ILmLm為設計最大電流。它決定于電動機允許的為設計最大電流。它決定于電動機允許的過載時的最大電流，在轉速過載時的最大電流，在轉速nnnIIL L, ,轉速還會上升，當其相等時，轉速還會上升，當其相等時，轉速達到峰值，然后開始減速，最后穩(wěn)定轉速達到峰值，然后開始減速，最后穩(wěn)定在在n n* *. .雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖直流伺服電機模型晶閘管模型E(s)與n關系3)3)雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的特點雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的特點(1)(1)起動過程主要為恒流

17、（以允許的最大過載起動過程主要為恒流（以允許的最大過載電流）升速。起動時間短。電流）升速。起動時間短。(2)(2)采用采用PIPI調節(jié)，必然有超調，使調節(jié)，必然有超調，使PIPI調節(jié)器退調節(jié)器退出飽和。出飽和。(3)(3)具有良好的動態(tài)性能，響應快。具有良好的動態(tài)性能，響應快。(4)(4)具有良好的抗干擾性能：具有良好的抗干擾性能：ASRASR抗負載擾動，抗負載擾動，ACRACR抗電網(wǎng)波動?？闺娋W(wǎng)波動。4.2 4.2 直流脈寬調制直流脈寬調制(PWM)(PWM)調速系統(tǒng)調速系統(tǒng)近年發(fā)展迅速，優(yōu)點：主電路簡單，功率元件近年發(fā)展迅速，優(yōu)點：主電路簡單，功率元件少，開關頻率高，電流易于連續(xù)，損失小，

18、低少，開關頻率高，電流易于連續(xù)，損失小，低速性能好，調整范圍寬等。速性能好，調整范圍寬等。1) 1) 電壓，脈寬變換原理。電壓，脈寬變換原理。組成：三角波（鋸齒波）發(fā)生器、加法器和比組成：三角波（鋸齒波）發(fā)生器、加法器和比較器組成。較器組成。H H型橋式型橋式PWMPWM晶體管功率放大電路圖：晶體管功率放大電路圖：3 3種工作狀態(tài)：種工作狀態(tài)：( (視脈寬調壓視脈寬調壓) )(1)(1)當當U UI I=0=0時，時，U Us s的正負脈寬相等，直流分量的正負脈寬相等，直流分量為零，但在交流分量的作用下，電機在停為零，但在交流分量的作用下，電機在停止位置處微振，動力潤滑，減少靜磨擦，止位置處微

19、振，動力潤滑，減少靜磨擦，減少起動阻力。減少起動阻力。(2)(2)當當U UI I00時，時，U Us s的正脈寬的正脈寬 負脈寬，直流分負脈寬，直流分量大于零，正轉，轉速上升。量大于零，正轉，轉速上升。(3)(3)當當U UI I00時，時，U Us s的正脈寬的正脈寬 負脈寬，直流分負脈寬，直流分量小于零，反轉，反轉轉速上升。量小于零，反轉，反轉轉速上升。脈寬調制單元調制波發(fā)生器邏輯延時限流保護基極驅動器雙閉環(huán)脈寬調速系統(tǒng)原理框圖直流伺服系統(tǒng)設計計算原則： 慣量匹配：大慣量：0.25=Jel/Jm=1 等效轉矩Trms：一個工作循環(huán)內所需電動機轉矩的均方根值。 v直流永磁無刷電機3.3 交

20、流伺服電動機驅動及其控制1.1.交流伺服電動機的特點：結構：空間互成交流伺服電動機的特點：結構：空間互成9090度度電角度兩繞組，源繞組接電源，控制繞組接電角度兩繞組，源繞組接電源，控制繞組接控制電壓。常見形式控制電壓。常見形式有鼠籠形和杯形，前有鼠籠形和杯形，前者緊湊，性能優(yōu)良，者緊湊，性能優(yōu)良，但慣量大，后者慣量但慣量大，后者慣量小，無齒槽，運轉平小，無齒槽，運轉平穩(wěn)，但氣隙大，勵磁穩(wěn)，但氣隙大，勵磁電流大，效率低，體電流大，效率低，體積大。積大。2.2.交流伺服電動機的控制交流伺服電動機的控制交流伺服與單相感應電機工作原理相同，但性交流伺服與單相感應電機工作原理相同，但性能不同，單相感應

21、電機利用自轉工作，而交流能不同，單相感應電機利用自轉工作，而交流伺服必須消除自轉。伺服必須消除自轉。消除自轉的原理：由單相感應電機工作原理知，消除自轉的原理：由單相感應電機工作原理知，其力矩曲線為正反兩個旋轉磁場產生的力矩之其力矩曲線為正反兩個旋轉磁場產生的力矩之和，消除自轉，只需使力矩之和為負即可，也和，消除自轉，只需使力矩之和為負即可，也就是增加轉子電阻，當電阻足夠大時，合力矩就是增加轉子電阻，當電阻足夠大時，合力矩始終與轉向相反，為制動轉矩。如下圖所示：始終與轉向相反，為制動轉矩。如下圖所示：當負載轉矩一定時，通過調節(jié)控制電壓的大小或相位達到改變電機轉速的目的，有三種方式： 調節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉速 調節(jié)控制電壓的相位角，改變轉速 調節(jié)控制電壓時，相位角隨之改變，達到改變轉速目的控制繞組勵磁繞組3.3.交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)1)1)交流變頻調速原理及特性交流變頻調速原理及特性已知異步電動機的轉速方程：已知異步電動機的轉速方程：)1()1(6001snspfn可知：改變頻率可改變同步轉速，實現(xiàn)調速?？芍焊?/p>