第6章伺服驱动技术ppt课件.ppt

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第6章伺服驱动技术6.1概述6.2伺服系统的执行元件及控制6.3伺服系统设计 6.1概述6.1.1伺服系统概念6.1.2伺服系统的类型6.1.3伺服系统的基本要求 伺服系统是自动控制系统的一类，其输出变量常是机械的位置或运动，实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某状态能自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。一、伺服系统概念从组成元件的性质看，有电气伺服系统、液压伺服系统和电液伺服系统、电气—气动伺服系统等；从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等；从系统信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统；从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。 例：数控机床伺服系统，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。二、伺服系统类型 对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新稳定运行状态的能力。精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。三、伺服系统的基本要求 6.2伺服系统的执行元件及控制一、执行元件类型及特点二、伺服电机及其控制三、步进电机及其控制 1.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等2．液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点3．气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。一、执行元件类型及特点 在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。二、伺服电机及其控制 1直流伺服电动机(1)调速方式直流伺服电机的机械特性方程为：式中，Uc电枢控制电压；R电枢回路电阻；每极磁通；Ce、Ct—分别为电动机的结构常数。二、伺服电机及其控制由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（3）改变电枢回路电阻调速常用的是前面2种调速方式。 (2)直流电机的功率驱动直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制(PWM)电路应用最为广泛。二、伺服电机及其控制桥式(H形)PWM变换器主电路MUg2Ug1Ug3Ug4VT1VT2VT3VT4VD3VD1VD4VD2 二、伺服电机及其控制作用在电机两端的平均电压为：Ug2Ug3Ug1Ug400ttVT1VT4VT1VT4VT2VT3VT2VT3T MUg2Ug1Ug3Ug4VT1VT2VT3VT4VD3VD1VD4VD2恒频率波形发生器ui++脉冲宽度调制电路V/WUPWM脉冲分配器电路基极驱动电路UPWMUg1Ug2Ug3Ug4L1L2L3 (3)直流伺服系统模型二、伺服电机及其控制 二、伺服电机及其控制1)校正环节：一般速度环调节器为比例环节G1(s)=Kp位置环为PI调节2)检测环节：速度检测：位置检测：3)整流装置（惯性环节）各种整流装置的时间常数见下表 二、伺服电机及其控制4)直流电机设输入信号为Ud,输出为电机转角,则其传递函数：拉式变换，消去id（s）后可得电机的传递函数G6(S) 式中：Td、Tm—电磁时间常数和机电时间常数Ld、Rd—电枢绕组的电感和电阻Ce、Cm—反电动势常数和力矩常数B、J—阻尼和电机轴转动惯量画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递函数。 2.交流伺服电动机二、伺服电机及其控制 1、基本结构空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图转子内定子外定子绕组转轴二、伺服电机及其控制 2.交流伺服电动机的接线图二、伺服电机及其控制 当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时：对称两相运行→ic和if产生圆形旋转磁场→产生T→转子旋转。如果uc反相，即改变ic和if的相序→旋转磁场改变方向→n的方向改变。同时减小uc和uf而保持其90o的相位差→圆形磁通势的幅值→T→n。SM~控制绕组励磁绕组＋Uc－＋Uf－cfIcIf3.交流伺服电动机的原理:二、伺服电机及其控制 励磁绕组Wf接到电压为的交流电网上，控制绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度为式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数；n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率。二、伺服电机及其控制 4.交流伺服电动机的控制:二、伺服电机及其控制幅值控制原理图不同控制电压下的机械特性曲线由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为90º，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。 三、步进电动机及其控制 1、功能、用途和分类功能将电脉冲信号转换成转角或转速信号。转角θ∝脉冲信号的个数；转速n∝脉冲信号的频率。用途高精度的角度控制。分类按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）和混合式。三、步进电动机及其控制 2、基本结构1423(1)定子(2)转子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动机原理图三、步进电动机及其控制 步进电动机的典型结构U2U1W2W1V1V2三、步进电动机及其控制 一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）(2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）(3)m相单－双2m拍运行（三相单－双六拍运行）3、工作原理：三、步进电动机及其控制 三、步进电动机及其控制1423142314231423U1U2V1V2W2W1①U相通电1423U1U2V1V2W2W11423②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电14231423一步两步三步※步距角：θ=30°(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）通电顺序：U相→V相→W相→U相。 (2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）通电顺序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通电14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通电14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通电1423※步距角：θ=30°14231423三、步进电动机及其控制 (3)m相单－双2m拍运行(三相单－双六拍运行）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：θ=15°三、步进电动机及其控制 步距角θ=360°zNz：转子齿数N：拍数转速一个θ→转(1/zN)圈，脉冲频率为f→每秒转(f/zN)圈。n=60fzN例如：三相步进电动机z=40，则①采用单/双三拍时：②采用三相六拍时：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°三、步进电动机及其控制 步进电动机的参数脉冲放大器步进电动机脉冲分配器脉冲输入负载驱动电源最大静转矩、起动频率、运行频率。步进电动机的控制方式三、步进电动机及其控制 5.3伺服系统设计一、方案设计二、伺服系统稳态设计三、伺服系统动态设计 在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1．系统闭环与否的确定当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，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。一、方案设计2．执行元件的选择选择执行元件时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，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达等，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，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。 3．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连接装置，进行运动和力的变换与传递。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。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。一、方案设计4．控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、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。 系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设计与计算。稳态设计要满足系统输出能力指标的要求。二、伺服系统稳态设计1.负载的等效换算被控对象的运动有直线运动和回转运动，与执行元件的联系有直接的，也有通过传动装置的。执行元件的额定转矩（或力、功率）、加减速控制及制动方案的选择，应与被控对象的质量(或转动惯量)及其他负载相互匹配。故要将被控对象相关部件的质量或转动惯量及其所受的负载（力或转矩等）等效换算到执行元件的输出轴上，即计算执行元件输出轴承受的等效转动惯量和等效负载转矩（回转运动）或计算等效质量和等效力（直线运动）。 图6.1伺服进给系统示意下面以机床工作台的伺服进给系统为例加以说明如图所示系统中，由m个移动部件和n个转动部件组成。mi、Vi和Fi分别为移动部件的质量(kg)、运动速度(m/s)和所承受的负载力(N)；Jj、nj和Tj分别为转动部件的转动惯量(kg﹒m2)、转速(r/min或rad/s)和所承受负载力矩(Nm)。 1)求等效转动惯量Jkeq。该系统运动部件的动能总和为设等效到执行元件输出轴上的总动能为由于E=Ek故用工程上常用的单位，可将上式改写为(6.4)式中：nk_——执行元件的转速(r/min) 2)求等效负载转矩Tkeq。设上述系统在时间t内克服负载所作功的总和为同理，执行元件输出轴在时间t内的转角为由于W=Wk故用工程上常用的单位，可将上式改写为(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)则执行元件所作的功为 3)计算举例。求等效到电动机轴上的等效转动惯量Jmeq和等效转矩Tmeq解：1)求Jmeq，根据式(6.4)可得因为所以 2.执行元件功率的匹配(1)．系统执行元件的转矩匹配设机床工作台伺服进给运动驱动电机的额定转速n(r/min)是所需最大转速，其额定转矩(Nm)应大于所需的最大转矩，即大于等效到电机输出轴上的负载转矩与克服惯性负载所需的转矩(为电机加减速时的角加速度，rad/s2)之和。考虑机械传动效率，则电动机的额定转矩二、伺服系统稳态设计 (2)系统执行元件的功率匹配上述可知，在计算等效负载力矩和等效负载惯量时，需要知道电机的某些参数。在选择电机时，常先进行预选，然后再进行必要的验算。预选电机的估算功率P可由下式确定式中—电机的最高角速度(rad/s)；—电机的最高转速(r/min)；—考虑电机的功率富裕系数，一般取1.2～2，对于小功率伺服系统可达2.5。二、伺服系统稳态设计 例：机床工作台某轴伺服电动机输出轴所受等效负载转矩Tmeq=2.5Nm，等效转动惯量Jmeq=3×10-2kgm2，由工作台某轴的最高速度换算为电动机输出轴角速度m为50rad/s，等加速和等减速时间为t=0.5s，机械传动系统的总效率为0.85，试选取与所需转矩相匹配的电动机型号。解：等效惯性负载转矩为故若选用110BF003反应式电动机，其最大静转矩Tjmax=7.84Nm，当采用三相六拍通电方式，查相关资料取，Tq/Tjmax=0.87,则因为，满足要求，故可选用110BF003反应式电动机 1）过热验算负载转矩为变量且励磁磁通近似不变时，电动机等效转矩式中：T1、T2、分别为t1、t2时间间隔内的负载转矩。等效功率式中：nN—电动机的额定转速（r/min）则所选电动机的不过热条件为式中：TN—电动机的额定转矩(N.m);PN—电动机的额定功率(W)2）过载验算式中：km—电动机的过载系数，一般电动机产品目录中给出在预选电动机功率后，应进行以下验算 总减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择决定，既要使减速比达到一定条件下最佳，又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系、最大转速要求等。其确定方法有：1）使加速度最大。输入信号变化快，即加速度很大时，应使式中：负载转矩—LFT电动机转子转动惯量；—mJ电动机额定转矩；—mTmLmLFmLFJJTTTTi2/12úúûùêêëé+øöççèæ+=2）最大输出速度。当输入信号近似恒速，即加速度很小时，应使负载粘性摩擦系数。—2f；电动机粘性摩擦系数—式中：1f2/1122ffTTTTimLFmLFúúûùêêëé+øöççèæ+=二、伺服系统稳态设计3.减速器传动比的计算及分配 3）满足送进系统传动基本要求。即满足脉冲当量δ、步距角α和丝杠基本导程l0之间的匹配关系4）对速度和加速度均有一定要求的选择方法。先按上述1）条选择减速比i，然后验算是否满足iLmax≤m，式中的Lmax为负载的最大角速度；m为电动机输出的角速度。 利用上述方法选择总减速比之后，需要合理确定减速级数，最后分配各级的传动比（其分配原则可参见第2章）选择减速级数时考虑的问题：1使齿轮总转动惯量JG与电动机轴上主动齿轮的转动惯量JP的比值较小；2避免级数过多而使结构复杂。一般可按图A来选择。各级传动比可按图B来分配，一般根据重量最轻或等效转动惯量最小或输出轴转角误差最小的原则进行各级传动比的分配，且应使各级传动比按传动顺序逐级增加（“先小后大”）图A传动级数选择曲线图B传动比分配曲线 4.信号检测、转换及放大和电源等装置的确定执行元件与传动系统确定后，要考虑信号检测、转换及放大装置和校正补偿装置的选择与设计问题，还要考虑相邻环节的连接、信号的有效传递、输入与输出阻抗匹配等，以保证各环节协调工作，系统整体上达到设计指标。概括起来，主要考虑以下几个方面的问题：二、伺服系统稳态设计1.检测传感装置的精度、灵敏度、反应时间等性能参数要合适，这是保证系统整体精度的前提条件；2.信号转换接口电路尽量选用商品化产品，要有足够输入／输出通道，与传感器输出阻抗和放大器的输入阻抗要匹配；3.放大器应有足够的放大倍数和线性范围，特性稳定可靠；4.功率输出级的技术参数要满足执行元件的要求；5.电源的设计，一是要考虑到放大器各放大级的不同需要，二是要考虑到动力电源稳定性能和抗干扰性能。 稳态设计实例：己知：拖板重W=2000N，拖板与贴塑导轨间的摩擦因数u=0.06,车削时最大切削负载Fs=2150N(与运动方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于导轨),要求切削时的进给速度：V=10~500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滚珠丝杠名义直径D0=32mm,导程:p=6mm，丝杠总长l=1400mm,拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，试选择合适的步进电机，并检查其启动特性和工作速度。 (1)脉冲当量的选择:初步选择三相步进电机的步距角为0.750/1.50，三相六拍控制时步距角为0.750，每转其脉冲数为根据脉冲当量的定义，可以得到中间齿轮传动比i为：当时，由公式：设计大小齿轮为：Z1=20Z2=25m=2mm (2)等效惯量的计算：1)滚珠丝杠的惯量：2)齿轮的惯量：求得：3)拖板的运动惯量转化动电机轴的转动惯量：4)总的等效转动惯量负载： (3)等效负载的计算：1)折算到电机轴上的摩擦转矩2)空载时折算到电机轴上的最大附加转矩3)空载时折算到电机轴上的最大加速度转矩初步选择电机为110BYG260B，其电机轴转动惯量为：其矩频特性曲线见下图 由图可得电机的最大静转矩Mjmax=9.5Nm连续运转频率为fm=1600Hz， 求加速度转矩为Mamax(按在0.03s之内加速到最大空行程速度3000mm/min计算)(a)快速启动时的启动转矩：(b)最大切削时所需转矩Mc： (c)快速进给时所需转矩Mk：综上，应该以快速启动时所需的转矩作为选择电机的依据(4)动态效核1)转动惯量效核：合适2)最大带惯量启动频率：3)最大空载启动频率：4)最大工作频率： 分析和设计伺服系统主要有时域法和频域法在时间领域中，利用解微分方程和根轨迹法来研究控制系统性能的方法，统称为时域法。频率响应(频率特性)是系统在受到不同频率的正弦信号作用时，描述系统的稳态输出和输入间关系的数学模型，它既能反映系统的稳态性能，同时也包含了系统的动态性能。其优点是不需要把输出量变化全过程计算出来，就能分析系统中各个参量与系统性能的关系，在工程实践中应用广泛。(参见第4章的系统综合与校正的有关章节)三、伺服系统动态设计 6.4电液伺服驱动分析与设计本节摘要电液伺服驱动(或称液压动力机构)是由液压放大元件(液压控制元件)和液压执行元件组成。有四种基本型式的液压动力元件：阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控液压马达。本节将建立几种基本的液压动力元件的传递函数，分析它们的动态特性和主要性能参数。 5.4.1四通阀控制液压缸基本结构形式 一、基本方程：(一)滑阀的流量方程定义负载流量：(二)液压缸流量连续性方程进油腔流量： 回油腔流量：液压缸工作腔的容积：综合以上各式得液压缸流量连续性方程： 根据：V01=V02=V0=Vt/2同时：则液压缸流量连续性方程简化为：(三)液压缸和负载的力平衡方程：dpdp1200ppAxVdtdt+»﹤﹤， 二、方框图与传递函数：根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得：根据阀控液压缸的拉氏变换方程式绘出系统方框图。 由方框图求得液压缸输出位移传递函数：式中分子的第1项是活塞的空载速度,第2项是外负载力作用引起的速度降低;其分母各项意义如下：第一项：是惯性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第二项：是惯性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度； 第三项：是粘性力变化引起的压缩流量产生的活塞速度；第四项是活塞运动速度；第五项：是粘性力引起的泄漏流量所产的活塞速度；第六项：是弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第七项：是弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度。 三、传递函数简化（一）、无弹性负载：简化为： 液压固有频率：液压阻尼比：忽略Bp后近似为： 对指令输入Xv的传递函数：对指令输入FL的传递函数： （二）、有弹性负载：简化为： 综合固有频率：综合阻尼比：忽略Bp后近似为： 标准传递函数形式：或进一步简化为： (三)其它简化形式： (1)速度放大系数因传递函数中含一个积分环节，故稳态时液压缸活塞的速度与阀的位移成比例。比例系数即为速度放大系数(速度增益)，表示阀对液压活塞速度控制的灵敏度，且直接影响系统的稳定性、响应速度和精度。提高速度放大系数可提高系统的响应速度和精度，但使系统稳定性变坏。速度放大系数随阀的流量增益变化而变化。四、频率响应分析（一）、无弹性负载系统频率分析： (2)液压固有频率液压固有频率是负载质量与液压缸工作腔中的油液压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结果。提高液压固有频率的方法有：I增大液压缸活塞的面积II减少总的压缩容积III减少折算到活塞上的总的质量IV提高容积弹性模数(3)液压阻尼比，液压阻尼比的表达式，影响液压阻尼比的因素，提高阻尼比的方法。 （二）、有弹性负载系统频率分析：分析系统主要参数对系统性能的影响。因惯性环节的存在，使系统变成了0型系统，对单位阶跃输入就是有差的了。 5.4.2四通阀控制液压马达基本结构形式 一、基本方程：二、方框图与传递函数： 三、传递函数简化液压固有频率：液压阻尼比： 对阀芯位移Xv的传递函数：对外负载力矩TL的传递函数： 5.4.3三通阀控制液压缸基本结构形式 一、基本方程：二、传递函数： 三、传递函数简化液压固有频率：液压阻尼比： 传递函数近似式： 6.5液压动力元件与负载的匹配一、负载特性（一）惯性负载特性惯性负载特性的数学表达式：负载特性曲线： （二）粘性负载特性粘性负载特性的数学表达式：负载特性曲线： （三）弹性负载特性弹性负载特性的数学表达式：负载特性曲线： （四）合成负载特性负载特性的数学表达式：负载特性曲线： 二、负载匹配负载匹配定义：根据负载轨迹来进行负载匹配时，只要使动力元件的输出持性曲线能够包围负载轨迹，同时使输出特性曲线与负载轨迹之间的区域尽量小，便认为液压动力元件与负载相匹配。输出特性曲线： 在阀最大输出功率点有：当供油压力确定后，推得液压缸活塞面积为：阀的最大空载流量为：