現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計ch03n

1、CHp3. 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計 1、概述、概述 2、伺服系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計算、伺服系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計算 3、伺服系統(tǒng)控制方案選擇、伺服系統(tǒng)控制方案選擇 4、伺服電機(jī)選擇、伺服電機(jī)選擇 5、伺服檢測裝置的選擇、伺服檢測裝置的選擇 6、放大裝置選擇、放大裝置選擇一、伺服系統(tǒng)實(shí)例 雷達(dá)-自動跟蹤 火炮隨動系統(tǒng)3.1 3.1 概概 述述 機(jī)器人-動作控制 數(shù)控機(jī)床-定位和加工軌跡二、 伺服系統(tǒng)的基本要求及特征 1.伺服系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定型好）穩(wěn)定型好（2）精度高）精度高（3）動態(tài)響應(yīng)快）動態(tài)響應(yīng)快（4）抗擾動能力強(qiáng)）抗擾動能力強(qiáng) 2.伺服系統(tǒng)的基本特征(1) 必須具備高精度高精

2、度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號；(2)功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的可逆的；(3)足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性低速帶載性 能力能力；(4)快速的響應(yīng)能力快速的響應(yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力較強(qiáng)的抗干擾能力。三、 電動伺服系統(tǒng)的組成 由伺服電機(jī)、功率驅(qū)動器、控制器和傳感器伺服電機(jī)、功率驅(qū)動器、控制器和傳感器 4大部分組成 除了位置傳感器位置傳感器外，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。SSI編碼器反饋編碼器反饋SSI編碼器反饋編碼器反饋控制指令控制指令PMAC驅(qū)動器驅(qū)動器驅(qū)動器驅(qū)動器交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直驅(qū)電機(jī)直驅(qū)電機(jī)減速機(jī)減速機(jī)四、電動伺服系統(tǒng)控制方法伺服系統(tǒng)的控制方法主要

3、分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方法。它實(shí)際上是指伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。開環(huán)控制只有從發(fā)出的位置指令輸入到最后的位置輸出的前向通道控制，而沒有測量實(shí)際位置輸出的反饋通道。由步進(jìn)電動機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)就是開環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)例。它的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整維護(hù)方便、工作可靠、成本低，但每一指令脈沖的進(jìn)給誤差、傳動鏈的誤差間隙、導(dǎo)軌滑動時摩擦力的不均衡等造成的誤差等最終都反映到實(shí)際位移中去，使得定位精度較低。此外，它的速度低，低速平穩(wěn)性差，效率也較低。電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大 如果在電動機(jī)軸或絲桿上安裝一個旋轉(zhuǎn)變

4、壓器反饋轉(zhuǎn)角的變化，則系統(tǒng)變成了半閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，與開環(huán)系統(tǒng)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)，提高了精度，但它檢測的反饋信號來自于系統(tǒng)中某一個非最終輸出的環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)無法對這一環(huán)節(jié)到最終控制目標(biāo)之間的誤差自動進(jìn)行補(bǔ)償。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋 在前向控制通道的基礎(chǔ)上在加上直接檢測最終輸出的反饋控制通道就形成了閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。檢測元件通常為直線感應(yīng)同步器和光柵等直線行位檢元件，安裝在最終的移動目標(biāo)工作臺上。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插

5、補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋五、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計的內(nèi)容五、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計的內(nèi)容 對控制對象運(yùn)動與動力學(xué)分析、負(fù)載分析、執(zhí)行電動機(jī)及傳對控制對象運(yùn)動與動力學(xué)分析、負(fù)載分析、執(zhí)行電動機(jī)及傳動裝置的確定、測量元件的選擇、放大裝置的選擇與設(shè)計計算。動裝置的確定、測量元件的選擇、放大裝置的選擇與設(shè)計計算。六、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計目的六、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計目的 確定系統(tǒng)的基本不變部分的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)設(shè)計的結(jié)果確定了系確定系統(tǒng)的基本不變部分的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)設(shè)計的結(jié)果確定了系統(tǒng)的控制能力。統(tǒng)的控制能力。 動態(tài)設(shè)計計算則是在此基礎(chǔ)上使系統(tǒng)達(dá)到要求的動態(tài)性能。包動態(tài)設(shè)計計算則是在此基礎(chǔ)上使系統(tǒng)達(dá)到要求的動態(tài)性能。包括滿足動

6、態(tài)誤差、穩(wěn)定性及快速性要求。括滿足動態(tài)誤差、穩(wěn)定性及快速性要求。 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計特點(diǎn)特點(diǎn) 穩(wěn)態(tài)設(shè)計運(yùn)用基礎(chǔ)知識面更寬，需要有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)設(shè)計運(yùn)用基礎(chǔ)知識面更寬，需要有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。七、工程定量計算的計量單位七、工程定量計算的計量單位 我國計量管理規(guī)定一律采用國際單位制我國計量管理規(guī)定一律采用國際單位制(SI)。國內(nèi)有些產(chǎn)品銘。國內(nèi)有些產(chǎn)品銘牌數(shù)據(jù)仍沿用工程單位制。在計算時應(yīng)統(tǒng)一換算成國際單位制。牌數(shù)據(jù)仍沿用工程單位制。在計算時應(yīng)統(tǒng)一換算成國際單位制。 名名 稱稱符號符號工程單位工程單位國際單位國際單位換算關(guān)系換算關(guān)系轉(zhuǎn)速角速度轉(zhuǎn)速角速度n r/minrad/s1 r

7、/min = /30 rad/s飛輪轉(zhuǎn)矩飛輪轉(zhuǎn)矩GD2kgm2gcm2Nm21 kgm2 = 9.8 Nm21 gcm2 = 9.810-7 Nm轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量Jkgms2gcms2kgm21 kgms2 = 9.8 kgm21gcms2=9.810-5kgm2力力FkgN1 kg = 9.8 N力力 矩矩M或或TkgmgcmNm1 kgm = 9.8 Nm1 gcm = 9.810-5 Nm功功(能能)WkgmWhJ或或Nm1 kgm = 9.8 J1 Wh = 3600 J功功 率率Pkgm/shPW或或J/s1 kgm/s = 9.8 W1 hP = 735.5 W3.2 3.2 伺服

8、系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計算伺服系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計算 明確了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)后，研究被控對象的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)特明確了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)后，研究被控對象的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)特性，根據(jù)對象的具體特點(diǎn)和受載情況選擇執(zhí)行元件。性，根據(jù)對象的具體特點(diǎn)和受載情況選擇執(zhí)行元件。 掌握了一般性研究方法后，需對負(fù)載作定量分析，根據(jù)對象掌握了一般性研究方法后，需對負(fù)載作定量分析，根據(jù)對象的實(shí)際運(yùn)動規(guī)律來建立負(fù)載和干擾模型。的實(shí)際運(yùn)動規(guī)律來建立負(fù)載和干擾模型。 隨動系統(tǒng)通過其控制的隨動系統(tǒng)通過其控制的動力機(jī)構(gòu)（執(zhí)行元件為電機(jī)或液壓馬動力機(jī)構(gòu)（執(zhí)行元件為電機(jī)或液壓馬達(dá)）來帶動工作機(jī)構(gòu)（被控對象）完成預(yù)定的運(yùn)動達(dá)）來帶動工作機(jī)構(gòu)（被控對

9、象）完成預(yù)定的運(yùn)動。 被控對象在運(yùn)動中的動力要求，對控制系統(tǒng)而言即負(fù)載特性被控對象在運(yùn)動中的動力要求，對控制系統(tǒng)而言即負(fù)載特性，負(fù)載特性中的受力對控制系統(tǒng)而言，即運(yùn)動中所受的阻力。負(fù)載特性中的受力對控制系統(tǒng)而言，即運(yùn)動中所受的阻力。 動力機(jī)構(gòu)所得到的動力機(jī)構(gòu)所得到的系統(tǒng)輸出特性與負(fù)載特性系統(tǒng)輸出特性與負(fù)載特性有一個匹配問題。有一個匹配問題。也就是說動力機(jī)構(gòu)的也就是說動力機(jī)構(gòu)的輸出能力應(yīng)大于或等于負(fù)載輸出能力應(yīng)大于或等于負(fù)載的要求。（即負(fù)的要求。（即負(fù)載特性）。載特性）。 一、系統(tǒng)典型負(fù)載分析一、系統(tǒng)典型負(fù)載分析 隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一般來說都是由隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一般來說都是由執(zhí)行電動機(jī)執(zhí)行電動

10、機(jī)(或液壓、氣動馬達(dá)或液壓、氣動馬達(dá))帶動被控對象做機(jī)械運(yùn)動帶動被控對象做機(jī)械運(yùn)動。其。其控控制特性與被控對象相聯(lián)系的動力學(xué)特性關(guān)系極大制特性與被控對象相聯(lián)系的動力學(xué)特性關(guān)系極大。 被控對象能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動狀況，完全取決于系統(tǒng)的穩(wěn)被控對象能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動狀況，完全取決于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。系統(tǒng)常見的態(tài)和動態(tài)性能。系統(tǒng)常見的負(fù)載類型有：慣性負(fù)載、阻尼負(fù)載、負(fù)載類型有：慣性負(fù)載、阻尼負(fù)載、彈性負(fù)載、干擾負(fù)載彈性負(fù)載、干擾負(fù)載(包括摩擦負(fù)載、常值力、重力負(fù)載）以及包括摩擦負(fù)載、常值力、重力負(fù)載）以及流體動力負(fù)載流體動力負(fù)載等，其中等，其中慣性負(fù)載、摩擦負(fù)載慣性負(fù)載、摩擦負(fù)載幾乎任一系統(tǒng)均有。幾

11、乎任一系統(tǒng)均有。1.摩擦負(fù)載摩擦負(fù)載 在任何機(jī)械傳動系統(tǒng)中，每一對相對運(yùn)動物體的接觸表面在任何機(jī)械傳動系統(tǒng)中，每一對相對運(yùn)動物體的接觸表面之間都存在著摩擦。普通的現(xiàn)象，情況卻十分復(fù)雜。之間都存在著摩擦。普通的現(xiàn)象，情況卻十分復(fù)雜。 在工程設(shè)計中，多采取實(shí)測的辦法，或采用手冊提供的數(shù)在工程設(shè)計中，多采取實(shí)測的辦法，或采用手冊提供的數(shù)據(jù)做近似地估算。據(jù)做近似地估算。 從接觸表面的從接觸表面的相對運(yùn)動形式相對運(yùn)動形式看，有看，有滑動摩擦與滾滑動摩擦與滾動摩擦動摩擦。在條件相同的情況下，滾動摩擦力比滑動摩。在條件相同的情況下，滾動摩擦力比滑動摩擦力小。擦力小。 以接觸表面之間的以接觸表面之間的潤滑條件

12、潤滑條件來看，來看，有干摩擦、粘有干摩擦、粘性摩擦性摩擦(或稱濕摩擦或稱濕摩擦)和介于兩者之間的邊界摩擦和介于兩者之間的邊界摩擦(俗稱俗稱半干摩擦半干摩擦)。在條件相同情況下，干摩擦最大，粘性。在條件相同情況下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于兩者之間。摩擦小，半干摩擦力介于兩者之間。 摩擦力摩擦力Fc = fN。 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)f與法向壓力、接觸表面特性、粗糙度、與法向壓力、接觸表面特性、粗糙度、溫度、滑動速度、接觸時間溫度、滑動速度、接觸時間等均有關(guān)。等均有關(guān)。 輸出軸上承受的摩擦力矩是由系統(tǒng)整個機(jī)械傳動輸出軸上承受的摩擦力矩是由系統(tǒng)整個機(jī)械傳動各部分的摩擦作用綜合的結(jié)果。以旋轉(zhuǎn)運(yùn)

13、動為例各部分的摩擦作用綜合的結(jié)果。以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為例: 靜摩擦力矩最大，隨著輸出角速度靜摩擦力矩最大，隨著輸出角速度的增加的增加(01)時，時，摩擦力矩又略有增加或保持不變。摩擦負(fù)載對系統(tǒng)的工作摩擦力矩又略有增加或保持不變。摩擦負(fù)載對系統(tǒng)的工作品質(zhì)影響很大。品質(zhì)影響很大。 動態(tài)分析計算時，則將摩擦負(fù)載特性近似為線性關(guān)系。動態(tài)分析計算時，則將摩擦負(fù)載特性近似為線性關(guān)系。 對隨動系統(tǒng)而言，對隨動系統(tǒng)而言，摩擦負(fù)載影響系統(tǒng)的控制精度摩擦負(fù)載影響系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)。當(dāng)要求低速跟蹤時，由于摩擦負(fù)載在低速區(qū)有要求低速跟蹤時，由于摩擦負(fù)載在低速區(qū)有dMc/d1, 系統(tǒng)對于擾系統(tǒng)對于擾動動N(s) 比沒有反饋時要

14、差。因此，比沒有反饋時要差。因此，單回路控制系統(tǒng)難于抑制干單回路控制系統(tǒng)難于抑制干擾作用的影響擾作用的影響。 在單回路系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的指標(biāo)要求較高，系統(tǒng)的在單回路系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的指標(biāo)要求較高，系統(tǒng)的增益應(yīng)增益應(yīng)當(dāng)較大當(dāng)較大，則系統(tǒng)通過串聯(lián)校正很可能難以實(shí)現(xiàn)，必須改變系統(tǒng)結(jié)，則系統(tǒng)通過串聯(lián)校正很可能難以實(shí)現(xiàn)，必須改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 單回路控制系統(tǒng)只適用于被控對象比較簡單。性能指示要求單回路控制系統(tǒng)只適用于被控對象比較簡單。性能指示要求不很高的情況。不很高的情況。 在在要求較高的控制系統(tǒng)中，一般采用雙回路和多回路要求較高的控制系統(tǒng)中，一般采用雙回路和多回路結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 雙回路控制系統(tǒng)對輸入和干

15、擾的傳遞函數(shù)分別為雙回路控制系統(tǒng)對輸入和干擾的傳遞函數(shù)分別為 G1(s)Gc1(s)G2(s)rc_nGc2(s)+ 可以選擇串聯(lián)校正裝置可以選擇串聯(lián)校正裝置Gc1(s)和并聯(lián)校正裝置和并聯(lián)校正裝置Gc2(s)來滿足對來滿足對R(s)和和N(s)的指標(biāo)要求。由于有了局部反饋，可以充分抑制的指標(biāo)要求。由于有了局部反饋，可以充分抑制N(s)的干擾作用，而且當(dāng)部件的干擾作用，而且當(dāng)部件G2(s)的參數(shù)變化很大時，局部閉環(huán)可的參數(shù)變化很大時，局部閉環(huán)可以削弱它的影響。一般以削弱它的影響。一般局部閉環(huán)是引入速度反饋局部閉環(huán)是引入速度反饋。它還可改善。它還可改善系統(tǒng)的低速性能和動態(tài)品質(zhì)。系統(tǒng)的低速性能和動

16、態(tài)品質(zhì)。 選擇局部閉環(huán)的原則如下：選擇局部閉環(huán)的原則如下：一方面要包圍干擾作用點(diǎn)及參數(shù)一方面要包圍干擾作用點(diǎn)及參數(shù)變化較大的環(huán)節(jié)，同時又不要使局部閉環(huán)的階次過高變化較大的環(huán)節(jié)，同時又不要使局部閉環(huán)的階次過高(一般不高一般不高于三階于三階)。121211222112( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cccccGs Gs GsCsR sGsGs GsGsGsCsNsGsGs GsGs 3、復(fù)合控制、復(fù)合控制 反饋控制是按照被控參數(shù)的偏差進(jìn)行控制的，只有當(dāng)被控參反饋控制是按照被控參數(shù)的偏差進(jìn)行控制的，只有當(dāng)被控參數(shù)發(fā)生變化時，才能形成

17、偏差，從而才有控制作用。復(fù)合控制數(shù)發(fā)生變化時，才能形成偏差，從而才有控制作用。復(fù)合控制則是在偏差出現(xiàn)以前，就產(chǎn)生控制作用，屬于開環(huán)控制方式。則是在偏差出現(xiàn)以前，就產(chǎn)生控制作用，屬于開環(huán)控制方式。 前饋控制又叫順饋控制或開環(huán)補(bǔ)償。引入前饋控制的目的之前饋控制又叫順饋控制或開環(huán)補(bǔ)償。引入前饋控制的目的之一是補(bǔ)償系統(tǒng)在跟蹤過程中產(chǎn)生的一是補(bǔ)償系統(tǒng)在跟蹤過程中產(chǎn)生的速度誤差，加速度誤差速度誤差，加速度誤差等。等。 補(bǔ)償控制是對外界干擾進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)外界干擾可量測時，通補(bǔ)償控制是對外界干擾進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)外界干擾可量測時，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，引入補(bǔ)償信號可以抵消干擾作用對輸出的影響。過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，引入補(bǔ)償信號可以抵消

18、干擾作用對輸出的影響。 對干擾實(shí)現(xiàn)了完全的不變性。對干擾實(shí)現(xiàn)了完全的不變性。 G1(s)G2(s)G3(s)rc_G4(s)+G5(s)n34431( )( )( )( ),( )( )N s G s G sN sG sG s 實(shí)現(xiàn)：也即： 二、選擇方案的注意事項(xiàng)二、選擇方案的注意事項(xiàng) 選擇方案最基本的依據(jù)就是用戶對系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。針選擇方案最基本的依據(jù)就是用戶對系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。針對不同的使用環(huán)境，選擇方案的出發(fā)點(diǎn)就不同。對不同的使用環(huán)境，選擇方案的出發(fā)點(diǎn)就不同。 軍用伺服系統(tǒng)：工作品質(zhì)、可靠性和靈活性；軍用伺服系統(tǒng)：工作品質(zhì)、可靠性和靈活性； 民用伺服系統(tǒng)：長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；民用伺服

19、系統(tǒng)：長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性； 系統(tǒng)運(yùn)行速度很高，且經(jīng)常處于加速度狀態(tài)，對精度的要求系統(tǒng)運(yùn)行速度很高，且經(jīng)常處于加速度狀態(tài)，對精度的要求高時，可以設(shè)計二階無差度系統(tǒng)或者采用復(fù)合控制系統(tǒng)。高時，可以設(shè)計二階無差度系統(tǒng)或者采用復(fù)合控制系統(tǒng)。 負(fù)載調(diào)速范圍很寬時，一般選無槽電動機(jī)。高性能系統(tǒng)中，負(fù)載調(diào)速范圍很寬時，一般選無槽電動機(jī)。高性能系統(tǒng)中，一般選大慣量寬調(diào)速伺服電動機(jī)，采用直接耦合傳動方案。一般選大慣量寬調(diào)速伺服電動機(jī)，采用直接耦合傳動方案。 考慮電磁兼容性要求考慮電磁兼容性要求。 選擇方案應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的主要要求，初步擬定方案，進(jìn)行可行選擇方案應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的主要要求，初步擬定方案，進(jìn)行可行性分析、試驗(yàn)，

20、進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。有時需要構(gòu)思幾個方案進(jìn)行性分析、試驗(yàn)，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。有時需要構(gòu)思幾個方案進(jìn)行對比、優(yōu)化，方案確定后便可按照設(shè)計步驟逐項(xiàng)進(jìn)行，并在試驗(yàn)對比、優(yōu)化，方案確定后便可按照設(shè)計步驟逐項(xiàng)進(jìn)行，并在試驗(yàn)中作局部修改。中作局部修改。3.4 3.4 執(zhí)行電機(jī)的選擇執(zhí)行電機(jī)的選擇一、選擇執(zhí)行電機(jī)的基本要求一、選擇執(zhí)行電機(jī)的基本要求 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，可采用電動機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)、伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，可采用電動機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)、氣動設(shè)備、電磁離合器等。氣動設(shè)備、電磁離合器等。 對執(zhí)行電機(jī)的要求如下：對執(zhí)行電機(jī)的要求如下： (1)滿足負(fù)載運(yùn)動的要求（提供足夠的力矩和功率）滿足負(fù)載運(yùn)動的要

21、求（提供足夠的力矩和功率） (2) 正反轉(zhuǎn)，起停，保證系統(tǒng)的快速運(yùn)動正反轉(zhuǎn)，起停，保證系統(tǒng)的快速運(yùn)動 (3) 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 (4) 功率消耗、尺寸要求功率消耗、尺寸要求 確定電機(jī)類型、額定輸入輸出參數(shù)確定電機(jī)類型、額定輸入輸出參數(shù) 額定電壓額定電壓UR、額定電流、額定電流IR、額定功率、額定功率PR、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速nR 控制方式控制方式 電機(jī)到負(fù)載之間傳動裝置的類型、速比、傳動級數(shù)和速比分電機(jī)到負(fù)載之間傳動裝置的類型、速比、傳動級數(shù)和速比分配，估算傳動裝置的轉(zhuǎn)動慣量和傳動效率。配，估算傳動裝置的轉(zhuǎn)動慣量和傳動效率。二、伺服電動機(jī)的類型、伺服電動機(jī)的類型 直流伺服電動機(jī)、低速大扭矩寬調(diào)速

22、電機(jī)、兩相異步電機(jī)、直流伺服電動機(jī)、低速大扭矩寬調(diào)速電機(jī)、兩相異步電機(jī)、三相異步電機(jī)、同步電機(jī)、滑差電機(jī)、力矩電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。三相異步電機(jī)、同步電機(jī)、滑差電機(jī)、力矩電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。 1.直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī) 直流伺服電動機(jī)按勵磁方式分：他激、串激、并激直流伺服電動機(jī)按勵磁方式分：他激、串激、并激 ?？刂??？刂品绞椒蛛姌锌刂坪痛艌隹刂苾纱箢悺７绞椒蛛姌锌刂坪痛艌隹刂苾纱箢?。 電樞控制電樞控制易獲得較平直的機(jī)械特性，有較寬的調(diào)速范圍。功易獲得較平直的機(jī)械特性，有較寬的調(diào)速范圍。功率范圍幾百瓦至幾十千瓦。率范圍幾百瓦至幾十千瓦。 nMU1U2U3MR磁場控制磁場控制分電樞電壓保持不變和電樞電

23、流保持不變兩種。分電樞電壓保持不變和電樞電流保持不變兩種。 電樞電壓為常值，功率在幾百瓦電機(jī)，具有弱磁電樞電壓為常值，功率在幾百瓦電機(jī)，具有弱磁升升速特性。在速特性。在幾十瓦以內(nèi)，且負(fù)載力矩幾十瓦以內(nèi)，且負(fù)載力矩MR較大，負(fù)載特性處于機(jī)械特性匯交點(diǎn)較大，負(fù)載特性處于機(jī)械特性匯交點(diǎn)的右邊，可以實(shí)現(xiàn)弱磁的右邊，可以實(shí)現(xiàn)弱磁降降速，激磁電流速，激磁電流IR近似與轉(zhuǎn)速成正比，可近似與轉(zhuǎn)速成正比，可用于可逆連續(xù)調(diào)速場合。調(diào)速范圍和調(diào)節(jié)特性的線性度均遠(yuǎn)不如用于可逆連續(xù)調(diào)速場合。調(diào)速范圍和調(diào)節(jié)特性的線性度均遠(yuǎn)不如電樞控制。電樞控制。 電樞電流保持不變的磁場控制，只能用于幾瓦至十幾瓦的小功電樞電流保持不變的磁

24、場控制，只能用于幾瓦至十幾瓦的小功率電機(jī)，只有加較深的速度負(fù)反饋系統(tǒng)才可獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。在率電機(jī)，只有加較深的速度負(fù)反饋系統(tǒng)才可獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。在只有輸出力矩只有輸出力矩(轉(zhuǎn)速可以為零轉(zhuǎn)速可以為零)的場合比較適用的場合比較適用 。 nMnMMRMR11223123直流他激伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩直流他激伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩慣量比是很小的，已不能適應(yīng)慣量比是很小的，已不能適應(yīng)現(xiàn)代伺服控制技術(shù)要求現(xiàn)代伺服控制技術(shù)要求.兩種高性能的小慣量高速直流伺服電動機(jī)兩種高性能的小慣量高速直流伺服電動機(jī) (1)小慣量無槽電樞直流伺服電動機(jī)小慣量無槽電樞直流伺服電動機(jī) 無槽電樞直流伺服電動機(jī)又稱表面繞組電樞直流伺服電動無槽電

25、樞直流伺服電動機(jī)又稱表面繞組電樞直流伺服電動機(jī)。結(jié)構(gòu)不同之處在于電樞的鐵心表面無槽，電樞繞組與鐵心成機(jī)。結(jié)構(gòu)不同之處在于電樞的鐵心表面無槽，電樞繞組與鐵心成為一個堅實(shí)的整體，電樞繞組均勻分布在鐵心表面上，大大縮小為一個堅實(shí)的整體，電樞繞組均勻分布在鐵心表面上，大大縮小了電樞直徑，減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。了電樞直徑，減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。換向性能改善，過載能力換向性能改善，過載能力加強(qiáng)。改善低速平穩(wěn)性、擴(kuò)大了調(diào)速范圍。加強(qiáng)。改善低速平穩(wěn)性、擴(kuò)大了調(diào)速范圍。 具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有以下優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，普通電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，普通電機(jī)1/10，電磁時間常數(shù)小，反應(yīng)快，電磁時間常數(shù)小，反應(yīng)快 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)

26、矩慣量比大，過載能力強(qiáng)，最大轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩大慣量比大，過載能力強(qiáng)，最大轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩大10倍倍 低速性能好，轉(zhuǎn)矩波動小，線性度好，摩擦小，調(diào)整范圍可達(dá)低速性能好，轉(zhuǎn)矩波動小，線性度好，摩擦小，調(diào)整范圍可達(dá)數(shù)千比一。數(shù)千比一。 具有以下缺點(diǎn)：具有以下缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)速高，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動機(jī)仍需減速器轉(zhuǎn)速高，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動機(jī)仍需減速器 氣隙大，安匝數(shù)多，效率低。慣量小、熱容量較小，過載氣隙大，安匝數(shù)多，效率低。慣量小、熱容量較小，過載時間不能太長。時間不能太長。 由于電機(jī)本身轉(zhuǎn)動慣量小，負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量可能要占系統(tǒng)總由于電機(jī)本身轉(zhuǎn)動慣量小，負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量可能要占系統(tǒng)總慣量中較大成份。負(fù)載轉(zhuǎn)慣量發(fā)

27、生變化時，影響系統(tǒng)的動態(tài)性慣量中較大成份。負(fù)載轉(zhuǎn)慣量發(fā)生變化時，影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。慣量匹配問題。能。慣量匹配問題。 無槽電樞直流伺服電動機(jī)是一種大功率直流伺服電動無槽電樞直流伺服電動機(jī)是一種大功率直流伺服電動機(jī)，主要用于需要快速動作，功率較大的伺服系統(tǒng)中，機(jī)，主要用于需要快速動作，功率較大的伺服系統(tǒng)中，如雷達(dá)天線的驅(qū)動、自行火炮、導(dǎo)彈發(fā)射架驅(qū)動、計算如雷達(dá)天線的驅(qū)動、自行火炮、導(dǎo)彈發(fā)射架驅(qū)動、計算機(jī)外圍設(shè)備以及數(shù)控機(jī)床等方面都有應(yīng)用實(shí)例。機(jī)外圍設(shè)備以及數(shù)控機(jī)床等方面都有應(yīng)用實(shí)例。 (2)空心杯電樞直流伺服電動機(jī)空心杯電樞直流伺服電動機(jī) 空心杯電樞直流伺服電動機(jī)是一種轉(zhuǎn)動慣量更小的直流伺服電空

28、心杯電樞直流伺服電動機(jī)是一種轉(zhuǎn)動慣量更小的直流伺服電動機(jī)，為動機(jī)，為“超低慣量伺服電動機(jī)超低慣量伺服電動機(jī)”。 低轉(zhuǎn)動慣量，起動時間常數(shù)可達(dá)低轉(zhuǎn)動慣量，起動時間常數(shù)可達(dá)1ms以下。轉(zhuǎn)矩以下。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比轉(zhuǎn)動慣量比很大，角加速度可達(dá)很大，角加速度可達(dá)106rad/s2。 靈敏度高，快速性好，速度調(diào)節(jié)方便，始動電壓在靈敏度高，快速性好，速度調(diào)節(jié)方便，始動電壓在100mV以下以下 損耗小、效率高。效率可達(dá)損耗小、效率高。效率可達(dá)80%或更高。或更高。 繞組均勻分布，無齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩波動小，低速平穩(wěn)，噪聲小繞組均勻分布，無齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩波動小，低速平穩(wěn)，噪聲小 繞組的散然條件好，其電流密度可取到繞組

29、的散然條件好，其電流密度可取到30A/mm。 轉(zhuǎn)子無鐵心，電樞電感很小，換向性能很好，提高使用壽命轉(zhuǎn)子無鐵心，電樞電感很小，換向性能很好，提高使用壽命 空心杯形電樞直流伺服電動機(jī)輸出功率從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦，空心杯形電樞直流伺服電動機(jī)輸出功率從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦，多用于高精度的伺服系統(tǒng)及測量裝置等設(shè)備中，如電視攝像機(jī)、多用于高精度的伺服系統(tǒng)及測量裝置等設(shè)備中，如電視攝像機(jī)、各種錄單機(jī)、各種錄單機(jī)、X-Y函數(shù)記錄儀、數(shù)控機(jī)床等機(jī)電一化設(shè)備中。函數(shù)記錄儀、數(shù)控機(jī)床等機(jī)電一化設(shè)備中。 2.低速大扭矩寬調(diào)速電動機(jī)低速大扭矩寬調(diào)速電動機(jī) 低速大扭矩寬調(diào)速電動機(jī)是在過去軍用低速力矩電動機(jī)經(jīng)驗(yàn)的低速大扭矩寬調(diào)速

30、電動機(jī)是在過去軍用低速力矩電動機(jī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電動機(jī)。相對于前面的小慣量電動機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電動機(jī)。相對于前面的小慣量電動機(jī)而言，大扭矩寬調(diào)速電動機(jī)具有下列特點(diǎn)：而言，大扭矩寬調(diào)速電動機(jī)具有下列特點(diǎn)： 高轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比，從而提供了極高的加速度和快速響應(yīng)轉(zhuǎn)動慣量比，從而提供了極高的加速度和快速響應(yīng) 高熱容量，使電機(jī)在自然冷卻全封閉條件下，仍能長時間過載高熱容量，使電機(jī)在自然冷卻全封閉條件下，仍能長時間過載 電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩和低速特性使得它可與對象直接耦合電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩和低速特性使得它可與對象直接耦合 電動機(jī)在大的加速度和過載情況下，有良好的換向。電動機(jī)在大的加速度和

31、過載情況下，有良好的換向。 電動機(jī)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，保證有長的壽命和高的可靠性。電動機(jī)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，保證有長的壽命和高的可靠性。 采用能承受重載荷的軸和軸承，使得電動機(jī)在加、減速和低速采用能承受重載荷的軸和軸承，使得電動機(jī)在加、減速和低速大轉(zhuǎn)矩時能承受最大峰值轉(zhuǎn)矩。大轉(zhuǎn)矩時能承受最大峰值轉(zhuǎn)矩。 電動機(jī)內(nèi)安裝有高精度和高可靠性的反饋元件電動機(jī)內(nèi)安裝有高精度和高可靠性的反饋元件脈沖編碼器脈沖編碼器或多極旋轉(zhuǎn)變壓器和低紋波測速發(fā)電機(jī)。或多極旋轉(zhuǎn)變壓器和低紋波測速發(fā)電機(jī)。 3.兩相異步電動機(jī)兩相異步電動機(jī) 兩相異步電動機(jī)在幾十瓦以內(nèi)的小功率隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)兩相異步電動機(jī)在幾十瓦以內(nèi)的小功率隨

32、動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用?？刂品绞椒址悼刂坪拖辔豢刂?。中被廣泛應(yīng)用?？刂品绞椒址悼刂坪拖辔豢刂啤?兩相異步電動機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，本身摩擦力矩小，比兩相異步電動機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，本身摩擦力矩小，比較靈敏。具有杯型轉(zhuǎn)子的兩相異步機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小，因而快速較靈敏。具有杯型轉(zhuǎn)子的兩相異步機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小，因而快速響應(yīng)特性好，常見于儀表隨動系統(tǒng)中。響應(yīng)特性好，常見于儀表隨動系統(tǒng)中。 4.三相異步電動機(jī)三相異步電動機(jī) 三相異步電動機(jī)控制方式有多種，如變頻調(diào)速、變電壓調(diào)速、三相異步電動機(jī)控制方式有多種，如變頻調(diào)速、變電壓調(diào)速、串級調(diào)速、脈沖調(diào)速等。變頻調(diào)速可獲得比較平直的機(jī)械特串級調(diào)速、脈沖調(diào)速等。

33、變頻調(diào)速可獲得比較平直的機(jī)械特性，調(diào)速范圍比較寬但控制線路復(fù)雜。該調(diào)速方法目前已得性，調(diào)速范圍比較寬但控制線路復(fù)雜。該調(diào)速方法目前已得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)中傳統(tǒng)使用的是利用可控硅實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)速到廣泛應(yīng)用。工業(yè)中傳統(tǒng)使用的是利用可控硅實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)速和串級調(diào)速，它只適用于線繞式轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)。變壓調(diào)和串級調(diào)速，它只適用于線繞式轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)。變壓調(diào)速和串級調(diào)速均在單向調(diào)速時采用，低速性能差且調(diào)速范圍速和串級調(diào)速均在單向調(diào)速時采用，低速性能差且調(diào)速范圍不寬。不寬。 與同功率的直流電機(jī)相比，三相異步電機(jī)的體積小、重量輕、與同功率的直流電機(jī)相比，三相異步電機(jī)的體積小、重量輕、價格便宜、維護(hù)簡單。價格便宜、維

34、護(hù)簡單。 5.滑差電機(jī)滑差電機(jī)(亦稱轉(zhuǎn)差離合器亦稱轉(zhuǎn)差離合器) 滑差電機(jī)的主動部分由原動機(jī)帶動作單向等速運(yùn)轉(zhuǎn)，用直流控滑差電機(jī)的主動部分由原動機(jī)帶動作單向等速運(yùn)轉(zhuǎn)，用直流控制它的激磁，激磁電流大小可調(diào)節(jié)其從動部分的轉(zhuǎn)速，從動部制它的激磁，激磁電流大小可調(diào)節(jié)其從動部分的轉(zhuǎn)速，從動部分帶動負(fù)載追隨主動部分，故只能單方向調(diào)速。其機(jī)械特性較分帶動負(fù)載追隨主動部分，故只能單方向調(diào)速。其機(jī)械特性較軟，調(diào)速范圍不大，低速性能較差，但控制線路簡單。軟，調(diào)速范圍不大，低速性能較差，但控制線路簡單。 6.步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 按激磁方式分永磁式、感應(yīng)式和反應(yīng)式。其中反應(yīng)式結(jié)構(gòu)簡單，按激磁方式分永磁式、感應(yīng)式和反應(yīng)式。

35、其中反應(yīng)式結(jié)構(gòu)簡單，用得較為普遍。目前工業(yè)上多用于小功率場合，步進(jìn)電機(jī)特別用得較為普遍。目前工業(yè)上多用于小功率場合，步進(jìn)電機(jī)特別適合于增量控制，在機(jī)床進(jìn)刀系統(tǒng)中廣泛采用。適合于增量控制，在機(jī)床進(jìn)刀系統(tǒng)中廣泛采用。 7.力矩電機(jī)力矩電機(jī) 力矩電機(jī)分直流和交流兩種。它在原理上與他激直流電機(jī)和兩力矩電機(jī)分直流和交流兩種。它在原理上與他激直流電機(jī)和兩相異步電機(jī)一樣，只是在結(jié)構(gòu)和性能上有所不同，比較適合于相異步電機(jī)一樣，只是在結(jié)構(gòu)和性能上有所不同，比較適合于低速調(diào)速系統(tǒng)，甚至可長期工作于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)只輸出力矩，因此低速調(diào)速系統(tǒng)，甚至可長期工作于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)只輸出力矩，因此它可以直接與控制對象相聯(lián)而不需減速裝置。

36、它可以直接與控制對象相聯(lián)而不需減速裝置。 8.直流無刷電動機(jī)直流無刷電動機(jī) 直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大矩大(力矩電機(jī)力矩電機(jī))，控制方法簡單，其缺點(diǎn)是有換向器和電刷。，控制方法簡單，其缺點(diǎn)是有換向器和電刷。 兩相伺服電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒有換向器和電刷，缺點(diǎn)是機(jī)械特性兩相伺服電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒有換向器和電刷，缺點(diǎn)是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性具有嚴(yán)重的非線性，轉(zhuǎn)矩小，效率低。和調(diào)節(jié)特性具有嚴(yán)重的非線性，轉(zhuǎn)矩小，效率低。 兩者的結(jié)合，在現(xiàn)今已得以實(shí)現(xiàn)。兩者的結(jié)合，在現(xiàn)今已得以實(shí)現(xiàn)。 這種電動機(jī)用電子換向開關(guān)電路和位置傳感器代替電

37、刷和換向這種電動機(jī)用電子換向開關(guān)電路和位置傳感器代替電刷和換向器，這使直流無刷電動機(jī)既具有直流電動機(jī)的機(jī)械特性，調(diào)節(jié)特器，這使直流無刷電動機(jī)既具有直流電動機(jī)的機(jī)械特性，調(diào)節(jié)特性，又具有交流電動機(jī)的維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、沒有電磁干擾等性，又具有交流電動機(jī)的維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、沒有電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉(zhuǎn)缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉(zhuǎn)矩波動大，低速時轉(zhuǎn)速的均勻性差?？刂朴脽o刷直流電動機(jī)包括矩波動大，低速時轉(zhuǎn)速的均勻性差?？刂朴脽o刷直流電動機(jī)包括無刷直流伺服電動機(jī)和無刷直流力矩電動機(jī)。無刷直流伺服電動機(jī)和無刷直流力矩電動機(jī)。

38、 三、現(xiàn)階段的伺服電動機(jī)三、現(xiàn)階段的伺服電動機(jī)伺服電機(jī)（servo motor ）:是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)。且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)：直流和交流伺服電動機(jī)兩大類。 伺服主要靠脈沖來定位。伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖

39、形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)。 直流伺服電機(jī)：有刷和無刷電機(jī)。 無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 交流伺服電機(jī)是無刷電機(jī)：分為同步和異步電機(jī)。 目前運(yùn)動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。 伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給

40、驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。從上世紀(jì)80年代，伺服電機(jī)開始轉(zhuǎn)向交流伺服控制。高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機(jī)，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川電機(jī)制作所推出的小型交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動器，有推出D、R、M、F、S、H、C、G 八個系列（功率范圍為0.056kW）；D系列適用于

41、數(shù)控機(jī)床（最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，力矩為0.252.8N.m），R系列適用于機(jī)器人（最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，力矩為0.0160.16N.m）。日本法那克（Fanuc）公司，在20世紀(jì)80年代中期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機(jī)。L系列有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。 ：三菱電動機(jī)（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機(jī)（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機(jī)（S系列）德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流

42、伺服電動機(jī)共有7個機(jī)座號92個規(guī)格。德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機(jī)分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類，共8個機(jī)座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機(jī)與相同輸出力矩的直流伺服電動機(jī)IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機(jī)控制。德國博世（BOSCH）公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機(jī)和Servodyn SM系列的驅(qū)動控制器。 美國Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產(chǎn)M600系列的交流伺

43、服電動機(jī)和A600 系列的伺服驅(qū)動器。后合并到AEG，恢復(fù)了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機(jī)和1391型交流PWM伺服控制器。電動機(jī)包括3個機(jī)座號共30個規(guī)格。 愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)直流伺服電動機(jī)、直流力矩電動機(jī)和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機(jī)座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機(jī)和八種控制器。 法國Alsthom集團(tuán)在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列（長型）和GC系列（短型）交流

44、伺服電動機(jī)共14個規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。 伺服電機(jī)和其他電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)）相比到底有什么優(yōu)點(diǎn)： 1、精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題； 2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000轉(zhuǎn)； 3、適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用； 4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合； 5、及時性：電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)； 6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。平常看到的那種普通的電機(jī)，斷電后它還會因?yàn)樽陨淼膽T性再轉(zhuǎn)一

45、會兒，然后停下。而伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是說停就停，說走就走，反應(yīng)極快。但步進(jìn)電機(jī)存在失步現(xiàn)象。直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 調(diào)速性好，單位重量和體積下，輸出功率最高，大于交流電機(jī)，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過步進(jìn)電機(jī)。多級結(jié)構(gòu)的力矩波動小。直流無刷、有刷伺服電機(jī)特點(diǎn)比較直流無刷、有刷伺服電機(jī)特點(diǎn)比較 無刷的：轉(zhuǎn)動慣量小、啟動電壓低、空載電流??； 非接觸式換向系統(tǒng)，大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速高達(dá)100 000rpm；無刷伺服電機(jī)在執(zhí)行伺服控制時，無須編碼器也可實(shí)現(xiàn)速度、位置、扭矩等的控制； 不存在電刷磨損情況，除轉(zhuǎn)速高之外，還具有壽命長、噪音低、無電磁干擾等特點(diǎn)。 有刷的：有刷的：1.體積小、動作快反應(yīng)快、

46、過載能力大、調(diào)速范圍寬 ；2.低速力矩大, 波動小，運(yùn)行平穩(wěn) ；3.低噪音,高效率；4.后端編碼器反饋（選配）構(gòu)成直流伺服；5.變壓范圍大，頻率可調(diào)。伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的性能比較伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的性能比較控制精度不同控制精度不同 ：步進(jìn)電機(jī)稍差，例如三洋提供的步距最小的達(dá)0.036 ；伺服電機(jī)精度很高，例如三洋標(biāo)準(zhǔn)的自帶2000線的伺服電機(jī)經(jīng)4倍頻后，精度可達(dá)360/8000=0.045；若采用17位編碼器，可達(dá)360/131072=0.0027466。低頻特性不同：低頻特性不同：步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，一般認(rèn)為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這是由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所

47、決定的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 矩頻特性不同：矩頻特性不同：步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。過載

48、能力不同：過載能力不同：步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。1. 運(yùn)行性能不同：運(yùn)行性能不同：步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 6.速度響應(yīng)性能不同速度響應(yīng)性能不同 ：步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)

49、。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。伺服電動機(jī)與單相異步電動機(jī)比較伺服電動機(jī)與單相異步電動機(jī)比較交流伺服電動機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機(jī)與單機(jī)異步電動機(jī)相比，有三個顯著特點(diǎn)：1、起動轉(zhuǎn)矩大：由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S01，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點(diǎn)。 2、運(yùn)行范圍較廣。3.無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電

50、動機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性（T1S1、T2S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（TS曲線） 交流伺服電動機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。交流伺服電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。 四、伺服電動機(jī)的選擇、伺服電動機(jī)的選擇 1、基本依據(jù)基本依據(jù) （1）

51、典型負(fù)載）典型負(fù)載 干摩擦力矩干摩擦力矩 Mc= Mc sign (Nm) 慣性力矩慣性力矩 ML=J J=J(d=J(d/dt) /dt) (Nm) 粘性摩擦力矩粘性摩擦力矩 M = 2N (Nm) 重力力矩重力力矩 M G = GL (Nm) 彈性力矩彈性力矩 M K = K (Nm) 風(fēng)阻力矩風(fēng)阻力矩 Mf = f (Nm) （2）描述與定量分析）描述與定量分析 典型負(fù)載與其運(yùn)動參數(shù)（典型負(fù)載與其運(yùn)動參數(shù)（ ）有關(guān)，若對象運(yùn)動有規(guī)）有關(guān)，若對象運(yùn)動有規(guī)律，則可用簡單數(shù)學(xué)形式來描述；律，則可用簡單數(shù)學(xué)形式來描述； 多數(shù)被控對象的運(yùn)動形態(tài)是隨機(jī)的，工程采用近似方法，選多數(shù)被控對象的運(yùn)動形態(tài)是

52、隨機(jī)的，工程采用近似方法，選取有代表性的工況作定量分析；取有代表性的工況作定量分析；2 長期運(yùn)行電機(jī)發(fā)熱狀態(tài)長期運(yùn)行電機(jī)發(fā)熱狀態(tài) 短時超載短時超載 系統(tǒng)極限運(yùn)動的承載能力系統(tǒng)極限運(yùn)動的承載能力 根據(jù)動態(tài)性能要求檢驗(yàn)電機(jī)的響應(yīng)能力根據(jù)動態(tài)性能要求檢驗(yàn)電機(jī)的響應(yīng)能力 被控對象運(yùn)動與電機(jī)運(yùn)動是同時進(jìn)行的，既要克服對象的負(fù)被控對象運(yùn)動與電機(jī)運(yùn)動是同時進(jìn)行的，既要克服對象的負(fù)載，也要克服電機(jī)自身的負(fù)載。載，也要克服電機(jī)自身的負(fù)載。 （3）銘牌定量計算方法）銘牌定量計算方法 產(chǎn)品單位要用國際單位統(tǒng)一。產(chǎn)品單位要用國際單位統(tǒng)一。2. 電機(jī)基本參數(shù)計算電機(jī)基本參數(shù)計算 a)力矩電機(jī)力矩電機(jī) 產(chǎn)品參數(shù)，以產(chǎn)品參

53、數(shù)，以LY系列永磁力矩電機(jī)目錄為例系列永磁力矩電機(jī)目錄為例輸出參數(shù)：輸出參數(shù)：峰值堵轉(zhuǎn)力矩峰值堵轉(zhuǎn)力矩Mmbl、最大空載轉(zhuǎn)速、最大空載轉(zhuǎn)速nm0(對應(yīng)對應(yīng)Um的實(shí)的實(shí) 際空載轉(zhuǎn)速際空載轉(zhuǎn)速)、連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩、連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩Mcbl；輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：峰值堵轉(zhuǎn)電流峰值堵轉(zhuǎn)電流Imbl、峰值堵轉(zhuǎn)電壓、峰值堵轉(zhuǎn)電壓Um、連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流、連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流 Icbl和電壓和電壓Uc；電機(jī)參數(shù)：電機(jī)參數(shù)：電勢系數(shù)電勢系數(shù)Ce、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jr、電磁時間常數(shù)、電磁時間常數(shù)Ti 計算公式計算公式0000()9 .5 5miem b lr cimimam b leemeUnCMMnnnURIKCKK理 想

54、 空 載 轉(zhuǎn) 速自 摩 擦 轉(zhuǎn) 矩電 樞 電 阻電 機(jī) 反 電 勢 常 數(shù)電 磁 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù)nM0inmblMcblM0nmUcU b)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)輸出參數(shù)：輸出參數(shù)：額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩MR、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速nR、額定功率、額定功率PR；輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：電樞電流電樞電流IR、電樞電壓、電樞電壓UR、激磁電流、激磁電流If和電壓和電壓Uf；電機(jī)參數(shù)：電機(jī)參數(shù)：電樞轉(zhuǎn)動慣量電樞轉(zhuǎn)動慣量Jr、或轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩、或轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩計算公式計算公式2GD22:23 .8 2:9 .5 5 ()9 .5 54RRRRaRappRRRRaeRmeRRRRRrrcmRRUIPRIULnnnIUI

55、RKnKKPPMnG DJMKIM電 樞 電 阻電 樞 電 感，極 對 數(shù)電 勢 常 數(shù) ：電 磁 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù)額 定 轉(zhuǎn) 矩 ：轉(zhuǎn) 動 慣 量 :自 身 摩 擦 力 矩 ：3. 多軸條件下傳動執(zhí)行電機(jī)選擇多軸條件下傳動執(zhí)行電機(jī)選擇1).等效負(fù)載的計算等效負(fù)載的計算 m/ L=i1，力矩關(guān)系：，力矩關(guān)系：1/(i) 其中其中589.2w輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：電樞電流電樞電流IR=8.2A ; 電樞電壓電樞電壓UR=110V; 電壓電壓Uf=220V電機(jī)參數(shù)：電機(jī)參數(shù)：轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩 =0.053 可得可得: 電樞轉(zhuǎn)動慣量電樞轉(zhuǎn)動慣量Jr= /4=0.01325估算：估算：2GD2Kg

56、 m2GD2Kg m21.05()29.55()0.387()0.387(/)9.552.9()0.273()RRRRaRRaeRmeRRRRRrcmRRUIPRIUI RKVsnKKNmAPPMNmnMKIMNm電 樞 電 阻 ：電 勢 常 數(shù) ：電 磁 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù) ：額 定 轉(zhuǎn) 矩 ：摩 擦 力 矩 ： 傳動比傳動比傳動裝置采用三級圓柱齒輪和一級渦輪蝸桿傳動，總效率為傳動裝置采用三級圓柱齒輪和一級渦輪蝸桿傳動，總效率為: 因?yàn)殡姍C(jī)功率小，取傳動轉(zhuǎn)動慣量因?yàn)殡姍C(jī)功率小，取傳動轉(zhuǎn)動慣量Jp=0.1Jr=0.001325 (3)驗(yàn)證驗(yàn)證 溫升發(fā)熱驗(yàn)證：溫升發(fā)熱驗(yàn)證：261.86230.42R

57、mi30.960.80.72Kg m22222222221()()214216394(0.273)(0.01325 1.1)6230.0875623 0.726230.71.586()2.9()cwrmsrcprmaRMJMMJJiiiN mMN m所選電機(jī)滿足發(fā)熱要求。短時極限承受力驗(yàn)證短時極限承受力驗(yàn)證:動態(tài)頻帶驗(yàn)證動態(tài)頻帶驗(yàn)證: lim22()()1426394(0.273)(0.01325 1.1) 623 0.209623 0.76230.75.56()(35) 2.98.714.5()cwrcprRMJMMJJiiiN mMN m 可見，電機(jī)有足夠的短期超載能力。取 =4。3226

58、81.2 ,58.33/142()4 2.9 (0.273)623 0.763945.23 10623 (0.01325 1.1)()6230.79.41(/ )1.411.66/scscRrckwmaprkctsrad stMMMiJeiJJirad srad s =7，在其范圍內(nèi)，滿足要求。例例2 小功率伺服系統(tǒng)，已知小功率伺服系統(tǒng)，已知:解解: (1)單位換算單位換算 (2)初選電機(jī)初選電機(jī)2222lim2100 /1.745/100 /1.745/180 /3.14/20.0350.11.5t1 ,mamamacLsrad ssrad ssrad seradMN mJKg mss最大跟

59、蹤角速度:最大跟蹤角加速度：最大角加速度：最大跟蹤角差：負(fù)載干摩擦：，零初始狀態(tài)下，1(t)作用，要求選電機(jī)。2()2(0.11.51.745)1.7459.54()RcLmamaPMJW 選選f=400Hz兩相異步電機(jī)兩相異步電機(jī)70sL01，其參數(shù)如下，其參數(shù)如下:輸出參數(shù)：輸出參數(shù)：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Mbl=1000gcm=0.098Nm 空載轉(zhuǎn)速空載轉(zhuǎn)速n0=4800r/min=502.6rad/s 額定輸出功率額定輸出功率PR=16w9.54w輸入?yún)?shù)：輸入?yún)?shù)：頻率頻率f=400Hz、額定控制電壓額定控制電壓UC=115V 激磁電壓激磁電壓Uf=115v、激磁電流、激磁電流If=1.

60、1A電機(jī)參數(shù)：電機(jī)參數(shù)：電機(jī)時間常數(shù)電機(jī)時間常數(shù)Tm=25ms=0.025s可求得可求得;62010.5 0.0980.04929.559.55 163100 /min324.6/0.0499.559.55 0.025 0.0984.87 10502.6RblRRRmblrMMN mPnrrad sMT MJKg mn傳動比傳動比傳動裝置采用四級圓柱齒輪傳動，總效率為傳動裝置采用四級圓柱齒輪傳動，總效率為: 取傳動轉(zhuǎn)動慣量取傳動轉(zhuǎn)動慣量Jp和測速發(fā)電機(jī)和測速發(fā)電機(jī)Jc 折合到電機(jī)后，總轉(zhuǎn)動慣量為折合到電機(jī)后，總轉(zhuǎn)動慣量為 (3)驗(yàn)證驗(yàn)證 溫升發(fā)熱驗(yàn)證：溫升發(fā)熱驗(yàn)證：3 2 4 .61 8 61