精密仪器设计基础ppt课件.ppt

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1、第十章机械伺服系统设计伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。10.1概述一、分类1、按反馈划分开环伺服系统精度取决于精密机械系统的精度一、分类闭环伺服系统靠偏差进行控制一、分类半闭环伺服系统一、分类复合控制系统一、分类2、按输入量的特征划分恒值控制系统：输入量是一个恒定值。程序控制系统：输入量的变化规律是已知和确定的，由特定的程序给出。随动系统：输入量的变化规律不确定。3、按驱动电机的类型分：步进电机伺服驱动系统。步进

2、电机将进给指令信号变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，是用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。一、分类直流电机伺服驱动系统。有良好的宽调速性能，输出转矩大、过载能力强。但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器，使结构与体积受限制，现已基本被交流伺服电机取代。一、分类交流电机伺服驱动系统。相对于直流伺服电机，具有结构简单、体积小、惯量小、响应速度快、效率高等特点。它更适应大容量、高速加工的要求。交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统。一、分类二、闭环

3、伺服系统的组成给定元件：产生输入信号，如电位器反馈元件：测量输出信号，如光栅、激光干涉仪比较元件：如电压比较器放大元件执行元件校正元件给定元件比较元件放大元件执行元件被控对象反馈元件校正元件三、设计要求及性能指标1、设计要求稳定性稳定性：指伺服系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。三、设计要求及性能指标精确性：控制精度，以稳态误差来衡量稳态误差：指指令脉冲要求工作台的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台的实际位移量之间的符合程度。快速性：当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程

4、度。安全性：三、设计要求及性能指标2、性能指标过渡过程和动态性能：控制系统从开始有输入信号起到系统输出量达到稳定之前的响应过程称为过渡过程。过渡过程表现为衰减、发散或等幅振荡过程。动态性能的时域指标：上升时间、调节时间、超调量等动态性能的频域指标：带宽三、设计要求及性能指标稳态过程和稳态性能四、伺服系统设计1、设计要求分析，系统方案设计控制方式的确定当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；当系统精度要求较高或负载较大时，要采用闭环或半闭环控制系统。开环系统设计时，仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。执行元件的选择选择执行元件时

5、应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机。传动机构方案的选择传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微型机、电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控

6、制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执行元件及传感器的参数和型号。4、机械系统设计机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在涉及执行机构的导轨时要防止产生“爬行”现象。5、控制系统设计控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电机驱动电路等的详细设计，如果采用计算机数字控制，还应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应注意各环节参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度和快速

7、响应性，并满足精度要求。6、系统测试实验测试试验可在模型试验系统上进行，也可以在试制的样机上进行。通过测试实验，往往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决。7、系统设计定案多次反复得到满意的结果后，将设计方案确定下来。然后整理设计图样及设计说明书等技术文件准备投产。10.2开环伺服系统设计一、步进电机：步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电机则随输入的脉冲按节拍一