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1、 4.1 4.1 概述概述第四章第四章 伺服系统技术伺服系统技术一、伺服系统基本概念一、伺服系统基本概念 伺服传动技术（伺服控制，伺服系统）是指在控制指伺服传动技术（伺服控制，伺服系统）是指在控制指令的指挥下，控制驱动执行机构，使机械系统的运令的指挥下，控制驱动执行机构，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。实现执行机构对给动部件按照指令要求进行运动。实现执行机构对给定指令定指令 的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动，连续，精确的复现输入指令信号的变化规够自动，连续，精确的复现输入指令信号的变化规律。律。二、伺服系统的结构组成二、伺服系统的结构
2、组成比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路三、伺服系统基本类型三、伺服系统基本类型 采用不同的分类方法，可以得采用不同的分类方法，可以得到不同类型的伺服系统到不同类型的伺
3、服系统 按控制原理（或方式）不同按控制原理（或方式）不同表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质不同按被控制量性质不同有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式 按驱动方式不同有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件不同分为步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式四、伺服系统基本要求四、伺服系统基本要求 精度高精度高 响应速度快响应速度快 指输出量复现输入指令信号的指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示精确程度，通常用稳态误差表示影响伺服系统精度的因素：影响伺服系统精度的因素：影响伺服系统精度的因素：影响伺服系统精度的因素：1 1、组成元件本、组成元件本身误差身
4、误差传感器的灵敏度和精度传感器的灵敏度和精度伺服放大器的零点漂移和死区误差伺服放大器的零点漂移和死区误差机械装置反向间隙和传动误差机械装置反向间隙和传动误差各元器件的非线性因素等各元器件的非线性因素等2 2、系统本身、系统本身结构形式结构形式输入指令信号的形式输入指令信号的形式是衡量伺服系统动态性能的重要指标是衡量伺服系统动态性能的重要指标应变能力应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；的冲击；Rn要大，并且在该范围内，速度稳定；无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力 或力矩；在零速时，伺服系统处于“锁定锁定”状态，即惯性小
5、。应变能力和过载能力大应变能力和过载能力大要求：要求：过载能力过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏过载而不致损坏 调速范围大调速范围大是伺服系统提供的最高速与最低是伺服系统提供的最高速与最低速之比，即速之比，即：体积小，重量轻，可靠性高，体积小，重量轻，可靠性高，成本低成本低六、电力电子变流技术六、电力电子变流技术1、开关器件类型、开关器件类型晶闸管（晶闸管（SCR）电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）场效应晶体管（场效应晶体管（MOSFET）绝缘栅双极性晶体管绝缘栅双极性晶体管IGBT）GEC（1）晶闸管开关特性（1）若门极）若门极G不
6、加电压，无论不加电压，无论A加正向还是反加正向还是反响电压，均不导通，具有正反阻断能力。响电压，均不导通，具有正反阻断能力。（2）阳极）阳极A和门极和门极G同时加正向电压才能导通，同时加正向电压才能导通，导通必须具备的两个条件导通必须具备的两个条件（3）晶闸管导通后，门极）晶闸管导通后，门极G就失去了控制作用，就失去了控制作用，要断开必须减小阳极电流（小于维持电流）要断开必须减小阳极电流（小于维持电流）（2 2）功率晶体管（）功率晶体管（GTRGTR）有截止，有源放大和饱和三种状态，一般作为开关有截止，有源放大和饱和三种状态，一般作为开关使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和，关断使用，开通时
7、要驱动，正常导通时要线饱和，关断时要反偏，目前驱动电路已集成化时要反偏，目前驱动电路已集成化。特点：饱和压降低，载流密度大，驱动电流较特点：饱和压降低，载流密度大，驱动电流较大。大。（3）场效应晶体管（）场效应晶体管（MOSFET）特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大，特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大，载流密度小。载流密度小。工作状态工作状态（4）IGBT是一种新型复合功率开关器件。集成了是一种新型复合功率开关器件。集成了GTR和和MOSFET的优点，驱动功率小而饱和压降的优点，驱动功率小而饱和压降低。低。驱动用集成芯片，如驱动用集成芯片，如EXB840，IR2130等。等。2 2
8、、开关器件特性、开关器件特性目目前前，各各类类电电力力电电子子器器件件所所达达到到的的功功能能水水平平如如下下：普通晶闸管：普通晶闸管：12kV12kV、1kA1kA；4kV4kV、3kA3kA。可关断晶闸管：可关断晶闸管：9kV9kV、1kA1kA；4.5kV4.5kV、4.5kA4.5kA。电电力力晶晶体体管管：单单管管1kV1kV、200A200A；模模块块kVkV、800A800A；1.8kV1.8kV、100A100A。场效应管：场效应管：1kV1kV、38A38A。绝缘栅极双极型晶体管：绝缘栅极双极型晶体管：kVkV、400A400A；1.8kV1.8kV、100A100A。3 3
9、、变流技术、变流技术（1 1）整整流流把把交交流流电电变变为为固固定定的的（或或可可调调的的）直直流流电电（2 2）逆逆变变把把固固定定直直流流电电变变成成固固定定的的（或或可可调调的的）交流电。交流电。（3 3）斩波）斩波把固定的直流电压变成可调的直流电把固定的直流电压变成可调的直流电（4 4）交交流流调调压压把把固固定定的的交交流流电电压压变变成成可可调调的的交交流流电压。电压。（1 1）.整流器整流器 整流过程是将交流信号转换为直流整流过程是将交流信号转换为直流信号的过程，可通过二极管或开信号的过程，可通过二极管或开关器件组成的桥式电路来实现。关器件组成的桥式电路来实现。单相交流可控硅桥
10、式整流电路(a）整流电路；(b）波形图若将开关器件V换成二极管，分析电路情况？（2）.斩波器斩波器二极管是续流二极管，当S断开时，由于电枢电感的存在，电动机的电枢电流可通过它形成续流回路。（3）.逆变器逆变器它有两个导电臂，每个导电臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的连结点为直流电源的中点。（4 4）.交流调压器交流调压器 一、执行元件的分类及其特点一、执行元件的分类及其特点 执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元
11、件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型式和气压式等几种类型 4.2 4.2 执行元件执行元件二、电气伺服驱动装置二、电气伺服驱动装置 机电一体化系统中较多的采用电机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置，即伺服电机驱动系统。气伺服驱动装置，即伺服电机驱动系统。伺服驱动电机一般是指：伺服驱动电机一般是指：步进步进步进步进电机（电机（Stepping MotorSteppin
12、g Motor）直流伺服直流伺服直流伺服直流伺服电机电机(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服交流伺服交流伺服交流伺服电机电机(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)三种电机驱动的特点：1 1、步进、步进、步进、步进电机电机转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制构成廉价的开环系统控制系统控制较简单2 2、DCDC伺服伺服伺服伺服电机电机高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制换向器件需维护3 3、ACAC伺服伺服伺服伺服电机电机具有DC伺服电机的全部优点需要磁极位置检测器无接触换向器件，维护方便 4.3 4.3 步进电机伺服驱动步进电
13、机伺服驱动一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。二、三相反应式步进电机的三种运行方式：单三拍时：ABC,ABCABC,ABC 双三拍时：ABBCCA,ABBCCAABBCCA,ABBCCA 单双拍（即六拍）时：AABBBCCCA,-AABBBCCCA 3、开环控制原理图、开环控制原理图4、步进电机的单片机控制、步进电机的单片机控制（1）控制换向顺序）控制换向顺序（2）控制步进电机的转向）控制步进电机的转向（3）控制步进电机的
14、速度）控制步进电机的速度结论：脉冲的数量控制电动机的转角结论：脉冲的数量控制电动机的转角 脉冲的频率控制电动机的转速脉冲的频率控制电动机的转速 脉冲的通入次序控制电机的方向脉冲的通入次序控制电机的方向5 5、脉冲分配、脉冲分配（1）通过软件实现脉冲分配）通过软件实现脉冲分配有两种方式：软件法和硬件法。软件法是完全用软件的方式按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO口向驱动电路发出控制脉冲。以三相步进电机工作在六拍方式为例。三相六拍工作方式通电正序为：AABBBCCCA通电状态通电状态 P1.2（C）P1.1（B）P1.0（A）控制字控制字A110FEHAB100FCHB101FDHBC001F
15、9HC011FBHCA010FAH共6个通电状态，若P1口输出控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用6个控制字来对应这6个通电状态。在程序中,只要依次将这6个控制字送到Pl口步进电动机就会转动一个齿距角。每送一个控制字,就完成一拍。步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理进行设计的。用R0作为状态计数器，来指示第几拍。按正转时加1，反转时减1的操作规律，则正转程序为：CW：INC R0CJNE R0,#06H,ZZMOV R0,#00HZZ:MOV A,R0MOV DPTR,#ABCMOVC A,A+DPTRMOV P1,ARETABC:DB 0FEH,0FCH,0FDH
16、,0F9H,DB 0FBH,0FAH反转程序MOV P1,ARETCCW：DEC R0CJNE R0,#0FFH,FZMOV R0,#05HFZ:MOV A,R0MOV DPTR,#ABCMOVC A,A+DPTR软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作(如监测等)（2）通过硬件实现脉冲分配采用小规模集成电路搭接一个硬件分配器，灵活性大，不占用计算机的工作时间采用专门的环形分配器6.步进电机的速度控制步进电机的速度控制 通过单片机发出的步进脉冲来控制。软件脉冲分配方式：采用调整两个控制字之间的时间间隔硬件脉冲分配方式：控制步进脉冲
17、的频率 第一种是通过软件延时的方法。使CPU长时间等待 占用大量机时。第二种是通过定时器中断的方法 使用定时器T0，工作方式l。设用于改变速度的定时常数存放在内部RAM 30H(低位)和31H(高8位)中，则定时器中断服务子程序为 AA：CPL P1.4 PUSH ACC PUSH PSWCLR CCLR TR0 MOV A,TL0 ADD A,30H MOV TL0,A MOV A,TH0 ADDC A,31H MOV TH0,ASETB TR0POP TR0POP ACCRETI调速指令是通过输入界面出外界输入的，可通过键盘程序或AD转换程序接收，通过这些程序将外界给定的速度值转换成相应的
18、定时常数，并存人30H和31H这样就可以在定时器中断后改变步进脉冲的频率，达到调速的目的。7、步进电机的驱动控制电路、步进电机的驱动控制电路 单电压驱动单电压驱动 双电压驱动双电压驱动 斩波恒流驱动（电流驱动）斩波恒流驱动（电流驱动）二、直流电动机的调压调速原理直流电动机U电枢电压，I电枢电流，R电路总电阻，每极磁通量，K电动机结构参数由上式可知，直流电动机的控制方式如下：调压调速（改变电枢电压，恒转矩调速）调磁调速（改变励磁电流，恒功率调速）改变电枢回路的电阻调速三、三、交流异步电机调速交流异步电机调速转速公式：其中：f为电源频率s为转差率p为极对数n0为同步转速：调速方法：改变f变频调速（
19、无级调速）改变P变极调速（有级调速）改变S该方法会降低交流电动机的机械特性，一般不用380UVW过压欠压SA4828IPM故障单片机隔离驱动IPM 4.4 4.4 伺服机械传动系统设计伺服机械传动系统设计一、系统方案确定一、系统方案确定典型的开环控制位置伺服系统是数控机床的伺服进给系统、数控x、y工作台、机器人的关节移动等。其结构原理如图所示：PC机驱动器执行元件传动机构执行机构方案确定实质是对上述各构成环节的选择设计 执行元件的选择 传动机构方案的选择传动机构方案的选择 开环伺服系统中可以采用步进电机、液压伺服阀控制的液压马达和液压缸、气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等作为执行元件，其中步进
20、电机应用最广泛，当负载能力不够时，考虑后者。总之，要考虑负载能力、调速范围、体积、成本等因素。传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的传动机构有：执行机构方案的选择丝杠螺母传动同步齿型带传动齿轮齿条传动直线电机传动最常用步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：采用同步齿型带传动丝杠：中心距较大通过减速器传动丝杠：减速器作用是配凑脉冲当量、转矩放大、惯量匹配等通过联轴器直接相连：结构简单，可获得高速，对电机负载能力要求较高 执行机构是伺服系统中的被
21、控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向机构，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即导轨的选择：滚动导轨气浮导轨、液体导轨塑料贴面滑动导轨 控制系统方案的选择包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等的选择和设计二、开环伺服机械系统设计计算 确定脉冲当量，初选步进电机根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取初选步进电机指：选择步进电机的类型和步矩角注：脉冲当量注：脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移。台走过的位移。单位为单位为 mm/pulse mm/pulse=0.0010.0025 精密机床0.0050.01 数
22、控机床 0.10.15 一般机床角脉冲当量角脉冲当量：就是步距角：就是步距角(/pulse)(/pulse)当通过中间传动装置时，角脉冲当量当通过中间传动装置时，角脉冲当量为：为：如下图，步进电机通过丝杠螺母副带如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量动工作台运动时，其脉冲当量为为：M驱动器驱动器指令脉冲指令脉冲Z1Z2设计时，先根据运动精度选定设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定，再根据负载确定步进电机的参数步进电机的参数，并选定丝杠的导程，并选定丝杠的导程p,p,计算出传计算出传动比动比i i后，最后设计传动齿轮的各参数等。后，最后设计传动齿轮的各参数等。确定减速传
23、动比传动比公式：计算出的传动比较小时，采用一级齿轮传动或同步带传动传动比较大时，采用多级齿轮传动注：1、齿轮传动级数增加时，使齿隙和静摩擦增加，传动效率降低，故传动级数一般不超过3级。2、传动级数的分配原则：传动比逐级增加（或前小后大原则），使输出轴转角误差最小。3 3 3 3、电机负载转矩计算、电机负载转矩计算、电机负载转矩计算、电机负载转矩计算作用在步进电机轴的总的负载转作用在步进电机轴的总的负载转矩按下式计算：矩按下式计算：步进电机最大静转矩确定：步进电机最大静转矩确定：4、等效转动惯量的计算其中：其中：Jm是电机轴自身的转动惯量（2）Jd是系统折算到电机轴的总的转动惯量（2）FW作用在
24、工作台的外力（N）F0丝杠螺母预紧时的力（N）P是丝杠螺距（mm）i是总传动比是电机启动、制动时的角加速度（是电机启动、制动时的角加速度（rad/srad/s2 2）F 作用在工作台的摩擦力（N）伺服系统传动链的总效率（取伺服系统传动链的总效率（取0.70.850.70.85）丝杠螺母预紧时的传动效率（取0.9）基本公式圆柱体其中：Jd的计算对上图所示的的系统，折算到电机轴的转动惯量Jd由几部分组成：电机轴的转动惯量Jm 齿轮Z1的转动惯量JZ1 齿轮Z2的转动惯量JZ2和丝杠的转动惯量JS折算到电机轴的转动惯量 工作台折算到电机轴的转动惯量对于直线移动的工作台，折算到丝杠轴的转动惯量为：丝杠
25、轴折算到电机轴的转动惯量为：因此，折算到电机轴的等效转动惯量Jd为：对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：R R为齿轮分度圆半径为齿轮分度圆半径对于带传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：为驱动轴的角速度为驱动轴的角速度v v为工作台的速度为工作台的速度5、最高运行频率.根据工作台的最高速度vmax选择步进电机最高运行频率fmax由得注意量纲：注意量纲：vmax(m/min)作业：作业：某开环数控车床的伺服进给系统，已知：工作台质量m=300kg,导轨的摩擦系数u=0.2，最大轴向载荷Fmax=500kgf；丝杠的导程p=6mm,公称直径d=45mm,摩擦系数 ,丝杠总长度L=2.44m，两端最大支承长度l=1.8m；选定四相反应式步进电机，其步距角 ，最大静转矩 ，转子转动惯量 。要求系统脉冲当量 ，最大进给速度 ，试对系统进行以下设计验算：1、计算减速传动比i，并分配传动比；2、等效转动惯量计算，并验算惯量匹配（计算齿轮转动惯量时，选定齿轮模数m=2mm,齿宽b=20mm,）；3、计算电机的最高运行频率M驱动器驱动器指令脉冲指令脉冲Z1Z2返回