精密儀器設(shè)計基礎(chǔ)

第十章機械伺服系統(tǒng)設(shè)計伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。10.1概述一、分類1、按反饋劃分開環(huán)伺服系統(tǒng)精度取決于精密機械系統(tǒng)的精度一、分類閉環(huán)伺服系統(tǒng)靠偏差進(jìn)行控制一、分類半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一、分類復(fù)合控制系統(tǒng)一、分類2、按輸入量的特征劃分恒值控制系統(tǒng)：輸入量是一個恒定值。程序控制系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律是已知和確定的，由特定的程序給出。隨動系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律不確定。3、按驅(qū)動電機的類型分：步進(jìn)電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)。步進(jìn)電機將進(jìn)給指令信號變換為具有一定方向、大小和速度的機械角位移，是用脈沖信號進(jìn)行控制，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。一、分類直流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)。有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大、過載能力強。但直流伺服電機由于具有電刷和機械換向器，使結(jié)構(gòu)與體積受限制，現(xiàn)已基本被交流伺服電機取代。一、分類交流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)。相對于直流伺服電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、慣量小、響應(yīng)速度快、效率高等特點。它更適應(yīng)大容量、高速加工的要求。交流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)在進(jìn)給伺服驅(qū)動中已逐漸取代了直流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)。一、分類二、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成給定元件：產(chǎn)生輸入信號，如電位器反饋元件：測量輸出信號，如光柵、激光干涉儀比較元件：如電壓比較器放大元件執(zhí)行元件校正元件給定元件比較元件放大元件執(zhí)行元件被控對象反饋元件校正元件三、設(shè)計要求及性能指標(biāo)1、設(shè)計要求穩(wěn)定性穩(wěn)定性：指伺服系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。三、設(shè)計要求及性能指標(biāo)精確性：控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量穩(wěn)態(tài)誤差：指指令脈沖要求工作臺的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺的實際位移量之間的符合程度?？焖傩裕寒?dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快慢程度。安全性：三、設(shè)計要求及性能指標(biāo)2、性能指標(biāo)過渡過程和動態(tài)性能：控制系統(tǒng)從開始有輸入信號起到系統(tǒng)輸出量達(dá)到穩(wěn)定之前的響應(yīng)過程稱為過渡過程。過渡過程表現(xiàn)為衰減、發(fā)散或等幅振蕩過程。動態(tài)性能的時域指標(biāo)：上升時間、調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量等動態(tài)性能的頻域指標(biāo)：帶寬三、設(shè)計要求及性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)性能四、伺服系統(tǒng)設(shè)計1、設(shè)計要求分析，系統(tǒng)方案設(shè)計控制方式的確定當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載不大，精度要求不高時，可考慮開環(huán)控制；當(dāng)系統(tǒng)精度要求較高或負(fù)載較大時，要采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計時，僅考慮滿足精度方面的要求即可，并通過合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，使系統(tǒng)具有盡可能好的動態(tài)響應(yīng)特性。執(zhí)行元件的選擇選擇執(zhí)行元件時應(yīng)綜合考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面的要求。一般來講，對于開環(huán)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用步進(jìn)電動機。對于中小型的閉環(huán)系統(tǒng)可考慮采用直流伺服電動機、交流伺服電動機。傳動機構(gòu)方案的選擇傳動機構(gòu)是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的一個連接裝置，用來進(jìn)行運動和力的變換與傳遞。在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運動和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機構(gòu)則多為直線運動。用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的傳動機構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等?？刂葡到y(tǒng)方案的選擇控制系統(tǒng)方案的選擇包括微型機、電動機控制方式、驅(qū)動電路等的選擇。常用的微型機有單片機、單板機、工業(yè)控制微型機等，其中單片機由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越性，在伺服系統(tǒng)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。2、系統(tǒng)性能分析3、執(zhí)行元件及傳感器的選擇根據(jù)具體速度、負(fù)載及精度要求來具體確定執(zhí)行元件及傳感器的參數(shù)和型號。4、機械系統(tǒng)設(shè)計機械系統(tǒng)設(shè)計包括機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計，設(shè)計中應(yīng)注意消除各種傳動間隙，盡量提高系統(tǒng)剛度、減小慣量及摩擦，尤其在涉及執(zhí)行機構(gòu)的導(dǎo)軌時要防止產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象。5、控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計包括信號處理及放大電路、校正裝置、伺服電機驅(qū)動電路等的詳細(xì)設(shè)計，如果采用計算機數(shù)字控制，還應(yīng)包括接口電路及控制器算法軟件的設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計中應(yīng)注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的匹配，以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度和快速響應(yīng)性，并滿足精度要求。6、系統(tǒng)測試實驗測試試驗可在模型試驗系統(tǒng)上進(jìn)行，也可以在試制的樣機上進(jìn)行。通過測試實驗，往往還會發(fā)現(xiàn)一些問題，必須采取措施加以解決。7、系統(tǒng)設(shè)計定案多次反復(fù)得到滿意的結(jié)果后，將設(shè)計方案確定下來。然后整理設(shè)計圖樣及設(shè)計說明書等技術(shù)文件準(zhǔn)備投產(chǎn)。10.2開環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計一、步進(jìn)電機：步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移的電磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達(dá)。步進(jìn)電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。對步進(jìn)電機施加一個電脈沖信號時，步進(jìn)電機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，叫做步距角。特點：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)成廉價的開環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡單1.工作原理步進(jìn)電動機的定子上有6個齒，其上分別纏有U、V、W三相繞組，構(gòu)成三對磁極；轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個齒。步進(jìn)電動機采用直流電源供電。當(dāng)U、V、W三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。1.工作原理假設(shè)U相繞組首先通電，則轉(zhuǎn)子上、下兩齒被磁場吸住，轉(zhuǎn)子就停留在U相通電的位置上。然后U相斷電，V相通電，則磁極U的磁場消失，磁極V產(chǎn)生了磁場，磁極V的磁場把離它最近的另外兩齒吸引過去，停止在V相通電的位置上，這時轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)了30°。1.工作原理定子各相輪流通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個齒。步進(jìn)電動機繞組按U→V→W→U→V→W→U…依次輪流通電，步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。上述分析中的步進(jìn)電動機步距角為30°1.工作原理對于一個真實的步進(jìn)電動機，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)子和定子上開有很多定分的小齒。當(dāng)U相定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對正時，V相和W相定子上的齒則處于錯開狀態(tài)。2.通電方式三相單三拍：定子按A

B

C

A

順序通電2.通電方式三相雙三拍：ABBCCAAB

2.通電方式三相六拍：AABBBCCCAC3.分類按勵磁相數(shù)分：有三相、四相、五相等步進(jìn)電機按運轉(zhuǎn)方式分：有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機和直線式步進(jìn)電機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為三種：反應(yīng)式；永磁式；混合式反應(yīng)式步進(jìn)電機利用磁阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)簡單，步矩角小，性價比高，應(yīng)用廣泛，但動態(tài)性差永磁式步進(jìn)電機用永久磁鋼作為電機的定子或轉(zhuǎn)子，電磁阻尼大，步矩角大，啟動頻率低，功率小混合式步進(jìn)電機在永磁和變磁阻原理共同作用下，輸出轉(zhuǎn)矩大，步矩角小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高4.性能參數(shù)齒距角αz：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒的夾角Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)步距角α：步進(jìn)電機每接受一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個固定的角度m：定子繞組相數(shù)；k：通電狀態(tài)系數(shù)——單拍或雙拍時為1，單雙拍時為2.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。繞組的電流越大，靜轉(zhuǎn)矩越大，一般取TL=（30-50%）Tmax最高運行頻率fmax：步進(jìn)電機不失步運行時，輸入脈沖的最高頻率失調(diào)角θ：單相定子通電時，該相定子齒與轉(zhuǎn)子齒的中心線不重合時所成夾角5.運行特性距角特性：單相額定通電時，其靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系矩頻特性：步進(jìn)電機運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系6.參數(shù)設(shè)計脈沖當(dāng)量δ：步進(jìn)電機每接受一個脈沖時，工作臺走過的位移（mm/pulse）角脈沖當(dāng)量δα：就是步距角α(°/pulse)當(dāng)通過中間傳動裝置時，角脈沖當(dāng)量δα為：δ=

0.001～0.0025精密機床0.005～0.01數(shù)控機床

0.1～0.15一般機床步進(jìn)電機通過絲杠螺母副帶動工作臺運動時，其脈沖當(dāng)量δ為：電機M驅(qū)動器指令脈沖最高運行頻率與速度關(guān)系——根據(jù)工作臺的最高速度vmax選擇步進(jìn)電機最高運行頻率fmax7.驅(qū)動方式單電壓驅(qū)動雙電壓驅(qū)動恒流驅(qū)動微步（細(xì)分）驅(qū)動二、誤差分析與校正主要誤差源步進(jìn)電機的步距誤差減速齒輪箱誤差滾珠絲杠、螺母副誤差2.誤差校正硬件方式：通過補償電路，判斷移動方向，當(dāng)反向移動時，發(fā)出補償指令軟件方式：建立誤差仿真數(shù)學(xué)模型，工作指令+校正指令一、直流電機控制電樞繞組中的電流大小和方向，就可以控制電機的轉(zhuǎn)速和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的大小通過轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測并反饋。10.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計1.基本原理電磁力定律：載流導(dǎo)體在磁場中，受電磁力作用；（左手定理）電磁感應(yīng)定律：

導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；（右手定理）

電與磁的相互作用，實現(xiàn)機—電能量的轉(zhuǎn)換2.基本結(jié)構(gòu)定子——產(chǎn)生直流磁場φ；轉(zhuǎn)子——通過轉(zhuǎn)子電流與定子磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機的轉(zhuǎn)子常被稱電樞。等效電路3.機械特性直流電機的基本作用方程

轉(zhuǎn)矩方程式：感應(yīng)電勢方程式：

電樞電路電壓方程式：

M

的方向——按左手定律確定

E

的方向——按右手定律確定

機械特性基本方程電流表達(dá)式：力矩表達(dá)式

機械特性曲線當(dāng)參數(shù)U、R及φ均固定不變時，機械特性曲線是一條直線nn0ΔnMNM改變電樞回路電阻RRa+Ri1Ra+Ri2Ri2>Ri1RaMn0MNΔn改變電樞端電壓UUN>

U1>

U2U1n01UNnMn00U2n02改變磁通φφNφ1φ3nMφ2φN>

φ1>

φ2n0n01n020二