《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》-伺服系統(tǒng)設(shè)計課件

第4章伺服系統(tǒng)設(shè)計4.1概述4.2伺服系統(tǒng)的執(zhí)行器及其控制4.3伺服系統(tǒng)中執(zhí)行器的選擇4.4閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計舉例《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計4.1概述一、伺服系統(tǒng)概念二、伺服系統(tǒng)的類型三、伺服系統(tǒng)的基本要求《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計伺服系統(tǒng)，也稱為隨動系統(tǒng)，是一種能夠及時跟蹤輸入給定信號并產(chǎn)生動作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機械或位置的運動，它的根本任務(wù)是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對給定指令的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。

一、伺服系統(tǒng)概念《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計圖4.1直流伺服電動機單閉環(huán)控制框圖《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計按被控量的不同可以將伺服系統(tǒng)分為位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)，其中最常見的是位置伺服系統(tǒng)

；按照控制方式，可將伺服系統(tǒng)分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)執(zhí)行器使用的動力源，可以將伺服系統(tǒng)分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣壓伺服系統(tǒng)等幾種類型。（各自特點）

二、伺服系統(tǒng)類型《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)，由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。

二、伺服系統(tǒng)類型《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)性。穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。精度是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。它是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度?？焖夙憫?yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項重要指標?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。三、伺服系統(tǒng)的基本要求《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計4.2伺服系統(tǒng)執(zhí)行器及其控制一、執(zhí)行元件類型及特點二、伺服電機及其控制三、步進電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

1.電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等2．液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運動油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點3．氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。一、執(zhí)行元件類型及特點《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動被控對象，當信號電壓的大小和極性(或相位)發(fā)生變化時，電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)⒖焖?、準確地跟著變化。目前常用的伺服電動機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機。二、伺服電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計二、伺服電機及其控制1直流伺服電動機(1)分類、結(jié)構(gòu)和原理按勵磁方式分，可分為他勵式、并勵式、串勵式和復(fù)勵式。他勵式包括永磁式直流伺服電動機。按結(jié)構(gòu)分類，可分為傳統(tǒng)型和低慣量型。基本原理是主磁極的勵磁線圈在直流電源下產(chǎn)生恒定磁場，當電樞繞組通入直流電，在電樞線圈中有直流電流，因而電樞線圈在磁場的作用下受到電磁力矩而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)調(diào)速方式直流伺服電機的機械特性方程為（P101）：式中，一電樞控制電壓；一電樞回路電阻；—每極磁通；、—分別為電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)。二、伺服電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計由上式知，直流伺服電機的控制方式如下：二、伺服電機及其控制（2）調(diào)磁調(diào)速（變勵磁電流，恒功率調(diào)速）（1）調(diào)壓調(diào)速（變電樞電壓，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）常用的是前面2種調(diào)速方式。（3）改變電樞回路電阻調(diào)速《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)直流電機的功率驅(qū)動直流電機的調(diào)速電路目前以脈沖寬度調(diào)制電路應(yīng)用最為廣泛。二、伺服電機及其控制橋式(H形)PWM變換器主電路《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計作用在電機兩端的平均電壓為：二、伺服電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(3)

直流伺服系統(tǒng)模型二、伺服電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計二、伺服電機及其控制1)校正環(huán)節(jié)：一般速度環(huán)調(diào)節(jié)器為比例環(huán)節(jié)G1(S)=Kp

位置環(huán)為PI調(diào)節(jié)2)檢測環(huán)節(jié)：速度檢測：位置檢測：3)整流裝置（慣性環(huán)節(jié)）各種整流裝置的時間常數(shù)見下表《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計二、伺服電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計二、伺服電機及其控制5)直流電機直流電機原理見右圖《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計二、伺服電機及其控制設(shè)輸入信號為Ud,輸出為電機轉(zhuǎn)角則其傳遞函數(shù)：拉式變換，消去id（s）后可得電機的傳遞函數(shù)G6(S)《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計式中：——電磁時間常數(shù)和機電時間常數(shù)——電樞繞組的電感和電阻——反電動勢常數(shù)和力矩常數(shù)——阻尼和電機軸轉(zhuǎn)動慣量畫出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，可得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)?！稒C電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計二、伺服電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計2.交流伺服電動機二、伺服電機及其控制

杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結(jié)構(gòu)圖1—勵磁繞組2—控制繞組3—內(nèi)定子4—外定子5—轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的接線圖《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(1)原理:

勵磁繞組WF接到電壓為的交流電網(wǎng)上，控制繞組接到控制電壓上，當有控制信號輸入時，兩相繞組便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場以一定的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動起來，其旋轉(zhuǎn)速度為式中，f為交流電源頻率(Hz)；p為磁極對數(shù)；n0為電動機旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(r/min)；s為轉(zhuǎn)差率。

二、伺服電機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)控制:二、伺服電機及其控制幅值控制原理圖

不同控制電壓下的機械特性曲線

由右圖可知，在一定負載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動機的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓對應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速。這種維持與相位差為90o，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。

《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計1、工作原理：

當?shù)谝粋€脈沖通入A相時，磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、3齒要和A級對齊。當下一個脈沖通入B相時，磁通同樣要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B級對齊，則轉(zhuǎn)子就順逆時針方向轉(zhuǎn)動一定的角度。三、步進電動機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

若通電脈沖的次序為A、C、B、A…，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時針方向一步步地旋轉(zhuǎn)。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實觀對步進電動機的控制。脈沖的數(shù)量控制電機的轉(zhuǎn)角；脈沖的頻率控制電機的轉(zhuǎn)速；脈沖的通入次序控制電機的方向。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電方式稱為三相單三拍。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。三、步進電動機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計2.性能參數(shù)

(1)步距角步進電動機走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，可按下面公式計算 式中為步距角；為轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)；為步進電動機運行的拍數(shù)。同一臺步進電動機，因通電方式不同，運行時步距角也是不同的

三、步進電動機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)啟動頻率和運行頻率我們把不失步啟動的最高脈沖頻率稱為啟動頻率，也稱突跳頻率，是步進電動機的一項重要性能指標。運行頻率是指步進電動機起動后，當控制脈沖頻率連續(xù)上升時，步進電動機能不失步的最高頻率

三、步進電動機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(3)最大靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角當轉(zhuǎn)子帶有負載力矩通電時，轉(zhuǎn)子就不再能和定子上的某極對齊，而是相差一定的角度，該角度所形成的電磁轉(zhuǎn)矩正好和負載力矩相平衡。這個角度稱為失調(diào)角。步進電動機所能帶的靜轉(zhuǎn)矩是受到限制的，最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進電機的承受載荷的能力。三、步進電動機及其控制《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計4.3伺服系統(tǒng)中執(zhí)行器的選擇一、方案設(shè)計二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計三、伺服系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計在進行系統(tǒng)方案設(shè)計時，需要考慮以下方面的問題：1．系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定當系統(tǒng)負載不大，精度要求不高時，可考慮開環(huán)控制；反之，當系統(tǒng)精度要求較高或負載較大時，開環(huán)系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時要采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般情況下，開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會有問題，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。一、方案設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計2．執(zhí)行元件的選擇選擇執(zhí)行元件時應(yīng)綜合考慮負載能力、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)可考慮采用步進電動機、電液脈沖馬達和伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達等，應(yīng)優(yōu)先選用步進電動機。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，對于負載較大的閉環(huán)伺服系統(tǒng)可考慮選用伺服閥控制的液壓馬達等。一、方案設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計3．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。前者可獲得較大的傳動比和較高的傳動效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜；后者因結(jié)構(gòu)簡單、制造容易而應(yīng)用廣泛。一、方案設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計4．控制系統(tǒng)方案的選擇控制系統(tǒng)方案的選擇包括微型機、步進電動機控制方式、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。一、方案設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)方案確定后，應(yīng)進行方案實施的具體化設(shè)計，即各環(huán)節(jié)設(shè)計，通常稱為穩(wěn)態(tài)設(shè)計。其內(nèi)容主要包括執(zhí)行元件規(guī)格的確定、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、系統(tǒng)慣量參數(shù)的計算以及信號檢測、轉(zhuǎn)換、放大等環(huán)節(jié)的設(shè)計與計算。穩(wěn)態(tài)設(shè)計要滿足系統(tǒng)輸出能力指標的要求。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計1.負載的等效換算為了便于系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)的分析與計算，可將負載運動部件的轉(zhuǎn)動慣量等效地變換到執(zhí)行元件的輸出軸上，并計算輸出軸承受的轉(zhuǎn)矩(回轉(zhuǎn)運動)或力(直線運動)。例如：二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

如圖所示系統(tǒng)中，由m個移動部件和n個轉(zhuǎn)動部件組成。mi、Vi和Fi分別為移動部件的質(zhì)量(kg)、運動速度(m／s)和所承受的負載力(N)；Jj、nj和Tj分別為轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量(kg﹒m2)、轉(zhuǎn)速(r／min或rad／s)和所承受負載力矩(Nm)。(1)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算系統(tǒng)運動部件動能的總和為二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為根據(jù)動能不變的原則，有，系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量為式中為執(zhí)行元件輸出軸的轉(zhuǎn)速(rad／s)

二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)等效負載轉(zhuǎn)矩的計算設(shè)上述系統(tǒng)在時間內(nèi)克服負載所作的功的總和為執(zhí)行元件輸出軸在時間內(nèi)的轉(zhuǎn)角為，則執(zhí)行元件所作的功為由于，所以執(zhí)行元件輸出軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計2.執(zhí)行元件功率的匹配(1)．系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配

設(shè)機床工作臺的伺服進給運動軸所采用電機的額定轉(zhuǎn)速(r/min)是所需最大轉(zhuǎn)速，其額定轉(zhuǎn)矩(Nm)應(yīng)大于所需要的最大轉(zhuǎn)矩，即應(yīng)大于等效到電機輸出軸上的負載轉(zhuǎn)矩與克服慣性負載所需要的轉(zhuǎn)矩(為電機加減速時的角加速度，rad/s2)之和。即電機軸上的總負載力矩為考慮機械傳動效率，則二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配上述可知，在計算等效負載力矩和等效負載慣量時，需要知道電機的某些參數(shù)。在選擇電機時，常先進行預(yù)選，然后再進行必要的驗算。預(yù)選電機的估算功率P可由下式確定式中—電機的最高角速度(rad/s)；—電機的最高轉(zhuǎn)速(r/min)；—考慮電機的功率富裕系數(shù)，一般?。?.2～2，對于小功率伺服系統(tǒng)可達2.5。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計3.減速器傳動比的計算及分配減速器傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。不但要求傳動構(gòu)件要有足夠的強度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)為最大。以步進電動機為例，其傳動比可按下式計算：式中為步進電動機步距角(o)；為絲杠導(dǎo)程(mm)；為工作臺運動的脈沖當量(mm)?！稒C電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

如計算出的值較小，可采用同步齒形帶或一級齒輪傳動，否則應(yīng)采用多級齒輪傳動。選擇齒輪傳動級數(shù)時，一方面應(yīng)使齒輪總轉(zhuǎn)動慣量與電動機軸上主動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量的比值較小，另一方面還要避免因級數(shù)過多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳動級數(shù)一般可按下圖來選擇。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計

齒輪傳動級數(shù)確定之后，為了緊湊傳動結(jié)構(gòu)以及提高傳動精度和動態(tài)特性，通常是根據(jù)重量最輕或等效轉(zhuǎn)動慣量最小或輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則進行各級傳動比的分配。一般可按下圖來分配各級傳動比，且應(yīng)使各級傳動比按傳動順序逐級增加。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計4.信號檢測、轉(zhuǎn)換及放大和電源等裝置的選擇與設(shè)計執(zhí)行元件與傳動系統(tǒng)確定之后，要考慮信號檢測、轉(zhuǎn)換和放大裝置以及校正補償裝置的選擇與設(shè)計的問題，同時還要考慮相鄰環(huán)節(jié)的連接、信號的有效傳遞、輸入與輸出的阻抗匹配等，以保證各個環(huán)節(jié)在各種條件下協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)整體上達到設(shè)計指標。概括起來，主要考慮以下幾個方面的問題：二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計1.檢測傳感裝置的精度、靈敏度、反應(yīng)時間等性能參數(shù)要合適，這是保證系統(tǒng)整體精度的前提條件；2.信號轉(zhuǎn)換接口電路盡量選用商品化的產(chǎn)品，要有足夠的輸入／輸出通道，與傳感器輸出阻抗和放大器的輸入阻抗要匹配；3.放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)和線性范圍，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠；4.功率輸出級的技術(shù)參數(shù)要滿足執(zhí)行元件的要求；5.電源的設(shè)計，一是要考慮到放大器各放大級的不同需要，二是要考慮到動力電源穩(wěn)定性能和抗干擾性能。二、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)態(tài)設(shè)計實例：

己知：拖板重量W=2000N，拖板與貼塑導(dǎo)軌之間的摩擦因數(shù)u=0.06車削時最大切削負載Fs=2150N(與運動方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于導(dǎo)軌）,要求刀具切削時的進給速度：V=10~500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑D0=32mm,導(dǎo)程：p=6mm，絲杠總長l=1400mm拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，試選擇合適的步進電機，并檢查其啟動特性和工作速度。《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(1)脈沖當量的選擇:

初步選擇三相步進電機的步距角為0.750/1.50，三相六拍控制時步距角為0.750，每轉(zhuǎn)其脈沖數(shù)為根據(jù)脈沖當量的定義，可以得到中間齒輪傳動比i為：當時，由公式：設(shè)計大小齒輪為：Z1=20Z2=25m=2mm《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)等效慣量的計算：1)滾珠絲杠的慣量：2)齒輪的慣量：求得：3)拖板的運動慣量轉(zhuǎn)化動電機軸的轉(zhuǎn)動慣量：4)總的等效轉(zhuǎn)動慣量負載：《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(3)等效負載的計算：1)折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩2)空載時折算到電機軸上的最大附加轉(zhuǎn)矩3)空載時折算到電機軸上的最大加速度轉(zhuǎn)矩初步選擇電機為110BYG260B，其電機軸轉(zhuǎn)動慣量為：其矩頻特性曲線見下圖《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計由圖可得電機的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax=9.5Nm連續(xù)運轉(zhuǎn)頻率為fm=1600Hz，《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計求加速度轉(zhuǎn)矩為Mamax(按在0.03s之內(nèi)加速到最大空行程速度3000mm/min計算)(a)快速啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩：(b)最大切削時所需轉(zhuǎn)矩Mc：《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計(c)快速進給時所需轉(zhuǎn)矩Mk：綜上，應(yīng)該以快速啟動時所需的轉(zhuǎn)矩作為選擇電機的依據(jù)(4)動態(tài)效核1)轉(zhuǎn)動慣量效核：合適2)最大帶慣量啟動頻率：3)最大空載啟動頻率：4)最大工作頻率：《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計分析、設(shè)計伺服系統(tǒng)的方法主要包括時域法和頻域法，在時間領(lǐng)域中，利用解微分方程和根軌跡法來研究控制系統(tǒng)性能的方法，統(tǒng)稱為時域法。頻率響應(yīng)(頻率特性)是系統(tǒng)在受到不同頻率的正弦信號作用時，描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出和輸入間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，它即能反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時也包含了系統(tǒng)的動態(tài)性能。其優(yōu)點是不需要把輸出量變化全過程計算出來，就能分析系統(tǒng)中各個參量與系統(tǒng)性能的關(guān)系，在工程實踐中應(yīng)用廣泛。三、伺服系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：三、伺服系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計令代入上式，可得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為寫成實部與虛部的形式：《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計三、伺服系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計其中，幅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，容易求得輸出為：《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》_伺服系統(tǒng)設(shè)計1.對數(shù)頻率特性曲線（Bode圖）

Bode圖包括對數(shù)幅頻特性曲線和對數(shù)相頻特性曲線，兩者的橫坐標即頻率坐標是按頻率的對數(shù)（以10為底）進行分度的，所以對頻率來講，橫坐標是不均勻的。在橫坐標上，角頻率變化倍數(shù)常用頻程表示。所謂頻程是指高頻與低頻頻率比的對數(shù)，因為lg10=1，因此角頻率變化10倍，在橫坐標上的距離相差1個單位，即橫坐標上的每等分格叫做一個1