機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章課件

一、伺服系統(tǒng)基本概念

§5.1概述伺服系統(tǒng)也稱(chēng)之為隨動(dòng)系統(tǒng)，是以位移、速度或力、力矩等作為被控量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。1第五章伺服系統(tǒng)技術(shù)電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分在控制信號(hào)傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口在反饋信號(hào)傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：圖5.1伺服系統(tǒng)組成二、伺服系統(tǒng)基本類(lèi)型

2采用不同的分類(lèi)方法，可以得到不同類(lèi)型的伺服系統(tǒng)按控制原理（或方式）不同表示的方式有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式按被控制量性質(zhì)不同有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式按驅(qū)動(dòng)方式不同有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動(dòng)形式按執(zhí)行元件不同分為步進(jìn)電機(jī)伺服、直流電機(jī)伺服和交流電機(jī)伺服形式0.1110100P(kW)f(Hz)101001000圖5.2伺服系統(tǒng)適用范圍3三、伺服系統(tǒng)基本要求

精度響應(yīng)速度調(diào)速范圍指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示影響伺服系統(tǒng)精度的因素：1、組成元件本身誤差傳感器的靈敏度和精度伺服放大器的零點(diǎn)漂移和死區(qū)誤差機(jī)械裝置反向間隙和傳動(dòng)誤差各元器件的非線性因素等2、系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)形式輸入指令信號(hào)的形式是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)是伺服系統(tǒng)提供的最高速與最低速之比，即：5三種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：1、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制構(gòu)成廉價(jià)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡(jiǎn)單2、DC伺服電機(jī)高響應(yīng)、高功率密度可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字控制換向器件需維護(hù)3、AC伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)需要磁極位置檢測(cè)器無(wú)接觸換向器件，維護(hù)方便機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求：1、性能密度大6兩方面含義功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）功率密度指單位重量的輸出功率：比功率指功率對(duì)時(shí)間微分：因?yàn)?，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為：因此，比功率為：2、快速性好；調(diào)速范圍寬（1：1000以上）；適應(yīng)啟停頻繁的工作要求等。1§5.2步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)一、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频碾姎鈭?zhí)行元件，電機(jī)繞組每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度（即步距角），低頻率運(yùn)行時(shí)，明顯可見(jiàn)電機(jī)軸是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明工作原理：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用定子繞組通電勵(lì)磁，產(chǎn)生反應(yīng)磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖示，定子有三對(duì)磁極A-A，B-B，C-C，若轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為：定子每相磁極有5個(gè)齒，其齒距寬度與轉(zhuǎn)子一樣，則相鄰兩個(gè)齒的夾角必定是9°。3三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式：?jiǎn)稳臅r(shí)：A—B—C,—A—B—C…4雙三拍時(shí)：?jiǎn)坞p拍（即六拍）時(shí)：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,--A—AB—B—BC—C—CA…BF勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)反應(yīng)式(BY永磁式、BYG混合式)步進(jìn)電機(jī)電機(jī)外徑（mm)三、步進(jìn)電機(jī)的性能參數(shù)1、齒距角αz：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒的夾角2、步距角α：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度3、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax：在規(guī)定的通電相數(shù)下，轉(zhuǎn)矩的最大值m：定子繞組相數(shù)Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)k：通電狀態(tài)系數(shù)K=1單拍或雙拍K=2單雙拍定子繞組每改變一次通電的方式，稱(chēng)為“一拍”四、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性1、距角特性：?jiǎn)蜗嗤ㄈ腩~定通電時(shí)，其靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系2、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：相鄰兩通電狀態(tài)時(shí)，矩角特性交點(diǎn)的靜轉(zhuǎn)矩，反映了電機(jī)的承載能力5、最高啟動(dòng)頻率fqmax：步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)不失步達(dá)到穩(wěn)速所允許的最高輸入脈沖頻率（可以是空載下或有負(fù)載下）4、最高運(yùn)行頻率fmax：步進(jìn)電機(jī)不失步運(yùn)行時(shí)，輸入脈沖的最高頻率繞組的電流越大，靜轉(zhuǎn)矩越大，一般取TL=（30～50%）Tmax失步丟步：齒距數(shù)少于脈沖數(shù)越步：齒距數(shù)多于脈沖數(shù)6、失調(diào)角θ：?jiǎn)蜗喽ㄗ油姇r(shí)，該相定子齒與轉(zhuǎn)子齒的中心線不重合所夾角3、矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系高速時(shí)，負(fù)載能力變差，這是其應(yīng)用受到限制的原因之一由圖看出：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的升高而降低原因：定子控制繞組有一定的電感量，回路有電氣時(shí)間常數(shù)，電感電流變化有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，達(dá)不到電流穩(wěn)態(tài)值。設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定δ，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)α，并選定絲杠的導(dǎo)程p,計(jì)算出傳動(dòng)比i后，最后設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪的各參數(shù)等。2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax與相數(shù)、拍數(shù)一般根據(jù)TL≤（30～50%）Tmax選擇Tmax其中TL為把負(fù)載折合到步進(jìn)電機(jī)軸的負(fù)載力矩，若相數(shù)、拍數(shù)較多，可選0.5，否則選0.3，考慮控制回路的復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)程度，一般取相數(shù)較少的。3、最高運(yùn)行頻率與速度關(guān)系.根據(jù)工作臺(tái)的最高速度vmax選擇步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率fmax由得注意量綱：vmax(m/min)4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與加減速性能步進(jìn)電機(jī)的加減速性能與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的慣性力矩有關(guān)慣性力矩：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度越大，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率越低，加減速性能越差，越容易失步。通過(guò)減小步距角和減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改善啟動(dòng)、加減速性能5、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算作用在步進(jìn)電機(jī)軸的總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：6、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算其中：Jm是電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）Jd是系統(tǒng)折算到電機(jī)軸的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）是電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的角加速度（rad/s2）F作用在工作臺(tái)的摩擦力（N）FW作用在工作臺(tái)的外力（N）伺服系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的總效率（取0.7—0.85）絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率（取0.9）F0絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的力（N）P是絲杠螺距（mm）i是總傳動(dòng)比基本公式圓柱體其中：對(duì)于齒輪齒條傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：對(duì)于帶傳動(dòng)的工作臺(tái)，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：R為齒輪分度圓半徑為驅(qū)動(dòng)軸的角速度v為工作臺(tái)的速度六、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，其驅(qū)動(dòng)電路方式有多種：

單電壓驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)p55）

雙電壓驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)p56）

斬波恒流驅(qū)動(dòng)（電流驅(qū)動(dòng)）

細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)控制繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，把步距角細(xì)分成若干步完成CLK§5.3直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服電機(jī)類(lèi)型電勵(lì)磁：勵(lì)磁量容易調(diào)整，成本低，效率低永久磁鐵：不需勵(lì)磁功率，效率高，性能好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成：直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置反饋裝置直流電源及驅(qū)動(dòng)電路接口電路電樞控制原理：控制電樞繞組中的電流大小和方向，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的大小通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測(cè)并反饋。圖1電樞控制原理二、直流伺服電機(jī)的特性

機(jī)械特性

調(diào)節(jié)特性當(dāng)控制電壓恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制電壓變化的關(guān)系圖2直流電機(jī)的靜態(tài)特性三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)在電樞上外加階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過(guò)程，即：n=f(t)或=f(t)1、直流電機(jī)的選擇2、設(shè)計(jì)的要求根據(jù)負(fù)載的大小，選擇小慣量電機(jī)或大慣量電機(jī)（也稱(chēng)力矩電機(jī)）

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩滿足要求折算到電機(jī)軸的負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于或等于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速穩(wěn)定運(yùn)行，低速或重載滿足穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求1、2、滿足動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求有三種調(diào)速方法：

電樞控制調(diào)速（即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，

磁場(chǎng)控制調(diào)速（即恒功率調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，

混合調(diào)速（即恒功率調(diào)速），如主軸伺服驅(qū)動(dòng)，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率調(diào)速.如進(jìn)給伺服系統(tǒng)如小慣量高速伺服系統(tǒng)§5.4交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）三相逆變器、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)按照伺服電機(jī)類(lèi)型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：異步型交流伺服系統(tǒng)（IM）同步型交流伺服系統(tǒng)（SM）正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)二、異步交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：其中：f為電源頻率s為轉(zhuǎn)差率p為極對(duì)數(shù)n0為同步轉(zhuǎn)速：通常采取恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：即在調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩維持在Tmax,氣隙磁通也在f為加在定子繞組的電源頻率E為定子繞組的電勢(shì)C為常數(shù)其中：U為電機(jī)的外加電壓控制方式當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，有三種方式：

幅值控制：調(diào)節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉(zhuǎn)速

相位控制：調(diào)節(jié)控制電壓的相位角，改變轉(zhuǎn)速

幅值相位控制（電容控制）：調(diào)節(jié)控制電壓時(shí)，相位角隨之改變，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速目的工作特性1、機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線

2、調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)系曲線圖3交流電機(jī)的靜態(tài)特性控制繞組勵(lì)磁繞組3、輸出特性P=f(n)：控制電壓不變時(shí)，輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，是有最大值的拋物線，當(dāng)堵轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)時(shí)，輸出功率為零，輸出功率的最大值在n=55%n空轉(zhuǎn)。

4、動(dòng)態(tài)特性n=f(t)外加階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過(guò)程，理論分析知，交流和直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)類(lèi)似，因此，理想時(shí)，二者的動(dòng)態(tài)性相似三、同步交流伺服電機(jī)包括永磁同步交流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)1、永磁同步交流電機(jī)PMSM（PermanentMagnetSynchronousMotor）：2、無(wú)刷直流電機(jī)BDCM（BrushlessDCMotor）：用永磁體轉(zhuǎn)子代替繞線式轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組，省卻了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)、電刷等。將直流同步電機(jī)的定子永磁勵(lì)磁改為永磁體轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，直流電機(jī)的電樞電流改為定子三相繞組正、負(fù)方波電流，帶有電子換相器，其控制方式與交流伺服類(lèi)似。四、交流伺服電機(jī)的矢量控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩的控制容易，動(dòng)態(tài)性好，而交流電機(jī)的電樞電流不容易得到，轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制較困難，進(jìn)行矢量控制的目的就是模擬直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律三相交流量?jī)上嘟涣髁拷涣?直流變換逆變換等效直流量還原三相交流量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制五、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇電機(jī)選擇成本轉(zhuǎn)矩慣量比功率密度調(diào)速范圍對(duì)傳感器要求轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性轉(zhuǎn)矩速度曲線§5.3伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)方案確定典型的開(kāi)環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控x、y工作臺(tái)、機(jī)器人的關(guān)節(jié)移動(dòng)等。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示：包括開(kāi)環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和閉環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹前者PC機(jī)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行元件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案確定實(shí)質(zhì)是對(duì)上述各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇設(shè)計(jì)

執(zhí)行元件的選擇

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中可以采用步進(jìn)電機(jī)、液壓伺服閥控制的液壓馬達(dá)和液壓缸、氣壓伺服閥控制的氣壓馬達(dá)和氣壓缸等作為執(zhí)行元件，其中步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最廣泛，當(dāng)負(fù)載能力不夠時(shí)，考慮后者?？傊?，要考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、體積、成本等因素。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)機(jī)械接口，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)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(jī)構(gòu)多為直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)同步齒型帶傳動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)直線電機(jī)傳動(dòng)最常用步進(jìn)電機(jī)與絲杠螺母間的運(yùn)動(dòng)傳遞可能有多種形式：采用同步齒型帶傳動(dòng)絲杠：中心距較大通過(guò)減速器傳動(dòng)絲杠：減速器作用是配湊脈沖當(dāng)量、轉(zhuǎn)矩放大、慣量匹配等通過(guò)聯(lián)軸器直接相連：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可獲得高速，對(duì)電機(jī)負(fù)載能力要求較高執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對(duì)象，是進(jìn)行實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中一般含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要是指導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇，即二、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

確定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)

控制系統(tǒng)方案的選擇導(dǎo)軌的選擇：滾動(dòng)導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌、液體導(dǎo)軌塑料貼面滑動(dòng)導(dǎo)軌包括微機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路、接口電路等的選擇和設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定，對(duì)于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取=0.005-0.01mm/pulse初選步進(jìn)電機(jī)指：選擇步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型和步矩角混合式：兼以上二者優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高反應(yīng)式：小、f高、價(jià)格低，功耗大永磁式：大、f低，功耗小，斷電后仍有制動(dòng)力矩

計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

確定減速傳動(dòng)比按產(chǎn)品樣本中給出的主要技術(shù)參數(shù)選用傳動(dòng)比公式：計(jì)算出的傳動(dòng)比較小時(shí)，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng)傳動(dòng)比較大時(shí)，采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)增加時(shí)，使齒隙和靜摩擦增加，傳動(dòng)效率降低，故傳動(dòng)級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3級(jí)。傳動(dòng)級(jí)數(shù)的分配原則：傳動(dòng)比逐級(jí)增加（或前小后大原則），使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。計(jì)算時(shí)，按P104，級(jí)數(shù)選擇曲線和傳動(dòng)比分配曲線目的：為選擇步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)及進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析做基礎(chǔ)圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式：

確定步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd計(jì)算公式為：步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算：步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定：驗(yàn)算慣量匹配步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)頻率確定：步進(jìn)電機(jī)最大運(yùn)行頻率確定：根據(jù)啟動(dòng)頻率特性曲線：Tq對(duì)應(yīng)的fqmax，實(shí)際運(yùn)行的fq<fqmax根據(jù)運(yùn)行頻率特性曲線：TL對(duì)應(yīng)的fmax，實(shí)際運(yùn)行的f

<fmax電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)控制在：小慣量電機(jī)（Jm=0.00005kgm2）大慣量電機(jī)（Jm=0.1--0.6kgm2）比值太大，系統(tǒng)動(dòng)特性受負(fù)載變化干擾；比值太小，不經(jīng)濟(jì)，大馬拉小車(chē)。

計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度通過(guò)減速傳動(dòng)比i和絲杠導(dǎo)程p的合理搭配，使慣量匹配趨于合理。傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成如下圖所示的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)圖示絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型m2KBKCminKBRKNKNR傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度為：此公式計(jì)算的主要是拉壓剛度，而絲杠本身的扭轉(zhuǎn)剛度比拉壓剛度大的多，一般不予考慮扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為：G為切變摸量

計(jì)算死區(qū)誤差

計(jì)算定位誤差死區(qū)誤差又稱(chēng)之為失動(dòng)量，指啟動(dòng)或反向時(shí)，系統(tǒng)的輸入與輸出運(yùn)動(dòng)間的差值產(chǎn)生死區(qū)誤差的原因電氣系統(tǒng)和執(zhí)行元件的啟動(dòng)死區(qū)（不靈敏區(qū)）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的間隙導(dǎo)軌副間的摩擦力由綜合拉壓剛度而產(chǎn)生的死區(qū)誤差：F為軸向負(fù)載力由于傳動(dòng)剛度變化引起定位誤差為：對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為系統(tǒng)允許的定位精度

驗(yàn)算固有頻率固有頻率的計(jì)算公式為：m是工作臺(tái)質(zhì)量或工作臺(tái)絲杠三、開(kāi)環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)誤差分析誤差來(lái)源誤差校正步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)的步距誤差，一般在左右，突然啟動(dòng)時(shí)有滯后，停止時(shí)有超前，從整個(gè)系統(tǒng)的誤差看，這一誤差較小，通常忽略不計(jì)；齒輪傳動(dòng)：齒輪副的傳動(dòng)誤差和間隙會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成誤差；滾珠絲杠副傳動(dòng)：滾珠絲杠副的軸向間隙產(chǎn)生誤差，而且由于綜合拉壓剛度不足，會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)誤差；其它傳動(dòng)裝置：聯(lián)軸器、齒型帶傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成傳動(dòng)誤差。1、機(jī)械校正：提高機(jī)械裝置自身的精度，減少誤差，如消隙、減少等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、提高傳動(dòng)剛度、提高固有頻率等；2、電子校正：反向死區(qū)補(bǔ)償：利用反向死區(qū)補(bǔ)償電路調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電路電路具有自動(dòng)判斷方向的改變，并在反向時(shí)發(fā)出補(bǔ)償命令的功能，補(bǔ)償脈沖可以達(dá)到幾百個(gè)。例:測(cè)量得到的反向死區(qū)誤差為0.016mm，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm/pulse,試問(wèn)撥碼開(kāi)關(guān)應(yīng)預(yù)置到哪一檔才能實(shí)現(xiàn)死區(qū)的補(bǔ)償？數(shù)字仿真誤差校正：預(yù)先將誤差的數(shù)學(xué)模型輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)一邊輸出工作指令，一方面計(jì)算誤差，輸出校正指令，形成附加運(yùn)動(dòng)，用以校正位移誤差。反饋補(bǔ)償誤差校正：采用反饋補(bǔ)償型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)減小系統(tǒng)的誤差，提高精度。撥碼開(kāi)關(guān)應(yīng)預(yù)置到3檔，消除誤差為3*0.005=0.015mm反饋補(bǔ)償型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理如下：步進(jìn)電機(jī)M驅(qū)動(dòng)器指令脈沖混合器脈沖補(bǔ)償感應(yīng)同步器測(cè)試器e=s機(jī)-s電補(bǔ)償脈沖四、閉環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算采用步進(jìn)細(xì)分電路校正誤差：實(shí)質(zhì)上是減小了步進(jìn)電機(jī)的步距角即角脈沖當(dāng)量，使轉(zhuǎn)子達(dá)到新穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能減小，振動(dòng)減小，精度提高，特別是提高了低速時(shí)的平滑性。選擇伺服電機(jī)類(lèi)型交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)各有其有特點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)要求確定，對(duì)于伺服進(jìn)給系統(tǒng)而言，要求伺服電機(jī)具有：調(diào)速范圍寬且穩(wěn)定，速比大，低速（0.1r/min）時(shí),速度穩(wěn)定性仍好；負(fù)載特性硬（受負(fù)載沖擊，速度穩(wěn)定性好），過(guò)載能力強(qiáng)；響應(yīng)速度快，從零轉(zhuǎn)速到1500r/min，時(shí)間在0.2s內(nèi)，角加速度達(dá)400rad/s2能夠頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、加減速等。國(guó)外伺服電機(jī)品牌：德國(guó)：SIEMENS公司、INDRAMAL公司等美國(guó)：AB公司、PARKER公司法國(guó)：ALSTHOM公司國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)生產(chǎn)廠家較多，集中在華東和華南地區(qū)選擇導(dǎo)軌種類(lèi)，確定阻尼比由實(shí)驗(yàn)可得到各種導(dǎo)軌的等價(jià)阻尼比，同時(shí)考慮系統(tǒng)的速度、穩(wěn)定性、潤(rùn)滑、材料等。靜壓導(dǎo)軌：0.02滑動(dòng)導(dǎo)軌：0.02--0.3滾動(dòng)導(dǎo)軌：0.02--0.05確定系統(tǒng)增益k和機(jī)械傳動(dòng)鏈的固有頻率根據(jù)控制精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，一般取k=8—15/s由系統(tǒng)增益和導(dǎo)軌阻尼比，初步確定滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求所需的機(jī)械傳動(dòng)鏈固有頻率為：阻尼比五、絲杠工作臺(tái)的簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)并校驗(yàn)這一環(huán)節(jié)的計(jì)算與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)類(lèi)似，主要包括：機(jī)械傳動(dòng)方案選擇；初選絲杠直徑；計(jì)算總傳動(dòng)比；計(jì)算等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并驗(yàn)算慣量匹配；計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)綜合拉壓剛度，并計(jì)算固有頻率，校驗(yàn)是否滿足系統(tǒng)對(duì)固有頻率的要求。計(jì)算出某項(xiàng)不符合