伺服系统设计.ppt

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1、机电一体化系统设计第五章伺服系统设计第五章伺服系统设计§5.1概述5.1.1概念伺服系统—在控制指令的指挥下,控制驱动元件,使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动的系统。伺服系统有闭环伺服系统与开环伺服系统之分。闭环伺服系统是一种反馈控制系统，其工作过程是偏差不断产生又不断消除的过程。举例：步进电机滚珠丝杠伺服驱动系统（开环位置控制伺服系统）。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计5.1.2伺服系统的类型及要求一、类型1按被控量分:有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系统。2按控制方式分:有开环、闭环、半闭环等伺服系统。3按驱动元件性质分:有电动、液压、气动等伺服系统。二、基

2、本要求1、稳定性要求稳定的系统在受到外界干扰时,其输出响应的过度过程随时间的增加而衰减;不稳定的系统其输出响应的过度过程随时间的增加而增加，或表现为等幅振。稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及参数（如贯性´刚度´阻尼´增益等），与外界作用信号的性质或形式无关。2、精度要求伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。3、快速响应性要求快速响应—输出跟随输入信号的变化程度以及动态响应过程结束的迅速程度。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计§5.2伺服系统中的执行器件及其控制5.2.1概述一、执行器件类型：1、电气式：步进电机´直流伺服电机´交流伺服电机等。2、液压式：液

3、压缸´液压马达等，控制性能不如伺服电机。3、气压式：气缸´气马达等，较难伺服控制。二、对执行器件的要求：惯性小，动力大；体积小，质量轻；好控制，成本低；可靠性好等。5.2.2直流伺服电动机及控制书上只介绍了速度控制（不要求）机电一体化系统设计第五章伺服系统设计5.2.3步进电动机及其控制一、工作原理如下图所示：定子上有6个齿，三对磁极，转子上分布有4个齿。定子上三相绕组（三对磁极）轮流通电，吸引转子一步一步旋转。每通断电一次，步进电机转过的角度称为步距角，图为30°。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计二、通电方式及步距角计算（一）通电方式定子绕组每通断电操作一次称为一拍。三

4、相单三拍通电方式：A→B→C→A→……三相双三拍通电方式：AB→BC→CA→AB→……三相六拍（单双轮流）通电方式：A→AB→B→BC→C→CA→A→……改变各相绕组的通断电顺序可实现逆转。一般对于m相步进电机有：1、m相单m拍通电方式。2、m相双m拍通电方式。3、m相2倍m拍通电方式。m相单m拍通电方式为单相通电方式，由于矩频特性差,容易失步,实际较少采用。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计（二）步距角计算θ=360°/(cmz)θ——步距角；z——转子的齿数；m——步进电机的相数；c—通电方式系数，单拍或双拍通电时取1，单双轮流通电时取2。机电一体化系统设计第五章伺服系

5、统设计三、步进电机的主要性能指标及特性1、最大静转矩Tmax步进电机运行频率为零（转速为零）时的输出转矩。步进电机运行频率——步进电机绕组每秒钟通断电次数。步进电机工作时的负载转矩一般取最大静转矩的30%～50%。2、步距角及其精度（误差）空载时实测步距角与理论步距角之差.反应了步进电机的制造精度。步进电机步距角精度较低的一般为±10´~±30´,精度高的可达±2´~±5´。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计3、步进电机矩角特性——静态时转矩与失调角的关系。什么是失调角？保持一相（单拍）或两相（双拍）绕组通电，此时定子与转子的齿对齐，当转子加一负载转矩时，转子将转θ角，θ角

6、称为失调角。转矩与θ关系见下图：机电一体化系统设计第五章伺服系统设计4、启动矩频特性——启动频率与负载转矩的关系。启动频率——电机在有外加负载转矩时，不失步启动的最高脉冲频率。失步——转子前进的步数不等于输入的脉冲数。启动矩频特性曲线见下图。由图可知，负载转矩越大所允许的最大启动频率就越小。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计5、启动惯频特性启动惯频特性——启动频率与转动惯量（纯惯性负载）之间的关系。如图下所示，负载转动惯量越大，允许最大启动频率就越低。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计6、连续运行矩频特性——电机启动后不失步运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。如下图所示

7、，电机输出转矩随运行频率的增加而减小。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计7、步进运行和低频振荡步进运行——当输入脉冲频率很低时，脉冲周期大于电机的过渡过程时间，电机处于一步一停的状态。低频振荡——步进电机运行的频率（较低时）与电机的固有频率相等或接近时，会发生共振，使电机产生振荡不前的现象。避免低频振荡方法：（1）避开固有频率运行；（2）调节电机上阻尼器改变固有频率。机电一体化系统设计第五章伺服系统设计四、步进电机的控制与驱动要使步进电机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以产生旋转磁场，即按