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1、第第4章章 伺服系统设计伺服系统设计n n4.1 概述概述n n4.2 伺服系统的执行器及其控制伺服系统的执行器及其控制n n4.3 伺服系统中执行器的选择伺服系统中执行器的选择n n4.4 闭环控制的伺服系统设计举例闭环控制的伺服系统设计举例4.1 概述概述n n一、伺服系统概念一、伺服系统概念n n二、伺服系统的类型二、伺服系统的类型n n三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求n n伺服系统伺服系统，也称为随动系统，是一种能够，也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制获得精确的位置、速度等输
2、出的自动控制系统。伺服系统是自动控制系统的一类，系统。伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令它的根本任务是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种状态的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。号的变化规律。一、伺服系统概念一、伺服系统概念图4.1 直流伺服电动机单闭环控制框图n n按被控量的不同按被控量的不同可以将伺服系统分为可以将伺服系统分为位置位置伺服系统伺服系统、速度伺服系统速度伺服系统，其中最常
3、见的，其中最常见的是位置伺服系统是位置伺服系统；n n按照控制方式按照控制方式，可将伺服系统分为，可将伺服系统分为开环、开环、闭环、半闭环系统闭环、半闭环系统。n n根据执行器使用的动力源根据执行器使用的动力源，可以将伺服系，可以将伺服系统分为统分为电气伺服系统电气伺服系统、液压伺服系统液压伺服系统和和气气压伺服系统压伺服系统等几种类型。等几种类型。（各自特点）（各自特点）二、伺服系统类型二、伺服系统类型n n例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统，n n由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，
4、它与一般的反馈控制系统一样，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也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。组成。组成。组成。二、伺服系统类型二、伺服系统类型n n 对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有稳定性稳定性稳定性稳定性、精度精度精度精度和和和和快速快速快速快速响应性响应性响应性响应性。n n 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统稳定性是指作用在系统上的扰动消
5、失后，系统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能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指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，系统能够达到新的稳定运行状态令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。的能力。的能力。的能力。n n 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是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
6、输入指令信号的精确程度。指其输出量复现输入指令信号的精确程度。指其输出量复现输入指令信号的精确程度。指其输出量复现输入指令信号的精确程度。n n 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项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，一是指动重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动重要指标。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态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的
7、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。迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。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三、伺服系统的基本要求4.2 伺服系统执行器及其控制伺服系统执行器及其控制n n一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点n n二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n三、步进电机及其控制三、步进电机及其控制 1.1.电气执行元件电气执行元件电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(D
8、C)(DC)伺服电机、交流（伺服电机、交流（伺服电机、交流（伺服电机、交流（ACAC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、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，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。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，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使
9、用，便于维修等n n2 2液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、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液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，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、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重
10、量轻、快速性好等特点n n3 3气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液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压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动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，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力
11、、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。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。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一、执行元件类型及特点n n 在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转在自动控制系统中，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，当信号电压的换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的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大小和极
12、性大小和极性大小和极性(或相位或相位或相位或相位)发生变化时，电动机的转速发生变化时，电动机的转速发生变化时，电动机的转速发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺和转向将快速、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服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。电机。电机。电机。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n1 1
13、直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机n n(1)(1)分类、结构和原理分类、结构和原理分类、结构和原理分类、结构和原理n n按励磁方式分，可分为按励磁方式分，可分为按励磁方式分，可分为按励磁方式分，可分为他励式、并励式、串励式他励式、并励式、串励式他励式、并励式、串励式他励式、并励式、串励式和复励式。和复励式。和复励式。和复励式。他励式包括永磁式直流伺服电动机。他励式包括永磁式直流伺服电动机。他励式包括永磁式直流伺服电动机。他励式包括永磁式直流伺服电动机。n n按结构分类，可分为按结构分类，可分为按结构分类，可分为按结构分类，可分为传统型传统型传统型传统型和和和和低惯量型低
14、惯量型低惯量型低惯量型。n n基本原理基本原理基本原理基本原理是主磁极的励磁线圈在直流电源下产生是主磁极的励磁线圈在直流电源下产生是主磁极的励磁线圈在直流电源下产生是主磁极的励磁线圈在直流电源下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电，在电枢线圈恒定磁场，当电枢绕组通入直流电，在电枢线圈恒定磁场，当电枢绕组通入直流电，在电枢线圈恒定磁场，当电枢绕组通入直流电，在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈在磁场的作用下受中有直流电流，因而电枢线圈在磁场的作用下受中有直流电流，因而电枢线圈在磁场的作用下受中有直流电流，因而电枢线圈在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子旋转。到电磁力矩而带动转子旋转。到电磁力矩而带
15、动转子旋转。到电磁力矩而带动转子旋转。n n(2)(2)调速方式调速方式调速方式调速方式n n直流伺服电机的机械特性方程为（直流伺服电机的机械特性方程为（直流伺服电机的机械特性方程为（直流伺服电机的机械特性方程为（P101P101）：）：）：）：n n式中，式中，式中，式中，一电枢控制电压；一电枢控制电压；一电枢控制电压；一电枢控制电压；一电枢回路电一电枢回路电一电枢回路电一电枢回路电n n阻；阻；阻；阻；每极磁通；每极磁通；每极磁通；每极磁通；、分别为电动机分别为电动机分别为电动机分别为电动机的结构常数。的结构常数。的结构常数。的结构常数。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n由上式
16、知，直流伺服电机的控制方式如下：由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制（2 2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（1 1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）常用的是前面常用的是前面常用的是前面常用的是前面2 2种调速方式。种调速方式。种调速方式。种调速方式。（3 3）改变电枢回
17、路电阻调速）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速n n(2)(2)直流电机的功率驱动直流电机的功率驱动直流电机的功率驱动直流电机的功率驱动n n直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应用最为广泛。用最为广泛。用最为广泛。用最为广泛。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制桥式桥式桥式桥式(H(H形形形形)PWM)PWM变换器主电路变换器主电路变换器主电路变换器主电路n n作用在电机两端的作用在电机两端的作用在电机两端的作用在电机两端的平均电
18、压为：平均电压为：平均电压为：平均电压为：二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n(3)(3)直流伺服系统模型直流伺服系统模型二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制1)1)校正环节校正环节校正环节校正环节：一般速度环调节器为比例环节一般速度环调节器为比例环节一般速度环调节器为比例环节一般速度环调节器为比例环节 GG1(S)1(S)=KKp p 位置环为位置环为位置环为位置环为PIPI调节调节调节调节2)2)检测环节检测环节检测环节检测环节：速度检测：速度检测：速度检测：速度检测：位置检测：位置检测：位置检测：位置检测：3)3)整流装置整流装置整流
19、装置整流装置（惯性环节（惯性环节（惯性环节（惯性环节）各种整流装置的时间常数见下表各种整流装置的时间常数见下表各种整流装置的时间常数见下表各种整流装置的时间常数见下表二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制5)5)直流电机直流电机直流电机直流电机直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理见右图见右图见右图见右图二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n设设输入信号为输入信号为Ud,输出为电机转角输出为电机转角 则其则其传递函数：传递函数：拉式变换，消去拉式变换，消去id（s）后可得电机的传递函后可得电机的传递函数数G6(S)式式式式中：中：中：
20、中：电磁时间常数和机电时间常数电磁时间常数和机电时间常数电磁时间常数和机电时间常数电磁时间常数和机电时间常数电枢绕组的电感和电阻电枢绕组的电感和电阻电枢绕组的电感和电阻电枢绕组的电感和电阻反电动势常数和力矩常数反电动势常数和力矩常数反电动势常数和力矩常数反电动势常数和力矩常数阻尼和电机轴转动惯量阻尼和电机轴转动惯量阻尼和电机轴转动惯量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画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递函数。函数。函数。函数。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n
21、n2.2.交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制 杯形转子伺服电动机的结构图杯形转子伺服电动机的结构图11励磁绕组励磁绕组 22控制绕组控制绕组 33内定子内定子 44外定子外定子 55转子转子交流伺服电动机的接线图交流伺服电动机的接线图n n(1)(1)原理原理原理原理:n n 励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组WFWF接到电压为的交流电网上，控制接到电压为的交流电网上，控制接到电压为的交流电网上，控制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，两绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两绕组接到控制电压上，当有
22、控制信号输入时，两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相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应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电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以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，其旋转速度为一定的转差率转动起来，其旋转速度为一定的转差率转动起来，其旋转速度为一定的转差率转动起来，其旋转速度为n n式中，式中，式中，式中，f f为交流电源频率为交流电源频率为交
23、流电源频率为交流电源频率(Hz)(Hz)；p p为磁极对数；为磁极对数；为磁极对数；为磁极对数；n n0 0为电动机旋转磁场转速为电动机旋转磁场转速为电动机旋转磁场转速为电动机旋转磁场转速(r/min)(r/min)；s s为转差率为转差率为转差率为转差率 。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n(2)(2)控制控制控制控制:二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制幅值控制原理图幅值控制原理图 不同控制电压下的不同控制电压下的 机械特性曲线机械特性曲线 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
24、制电压对应着不同的转越小，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速。这种维持与相位差为90，利用改变控制电压幅值大小来，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。改变转速的方法，称为幅值控制方法。n n1 1、工作原理：、工作原理：、工作原理：、工作原理：n n 当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入AA相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子
25、的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1 1、3 3齿要和齿要和齿要和齿要和AA级级级级对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入BB相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即的路径闭合，即的路径闭合，即的路径闭合，即2 2、4 4齿要和齿要和齿要和齿要和BB级对齐，则转子就顺逆时针级对齐，则转子就顺逆时针级对齐，则转子就顺逆时针级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。方向转动一定的角度。方向转动一定的角度。方向转动一定的角度。三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控
26、制n n 若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为AA、C C、BB、AA，则不，则不，则不，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。进电动机的控制。进电动机的控制。进电动机的控制。n n 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制脉冲的数量控制电机的转
27、角；脉冲的频率控制脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。n n 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓述的通电方式称为三相单三拍。所谓述的通电方式称为三相单三拍。所谓述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单单单单”是指是指是指是指每次只有一
28、相绕组通电；所谓每次只有一相绕组通电；所谓每次只有一相绕组通电；所谓每次只有一相绕组通电；所谓“三拍三拍三拍三拍”是指经过是指经过是指经过是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制n n2.2.性能参数性能参数性能参数性能参数n n (1)(1)步距角步距角步距角步距角n n 步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，
29、可按下面公式计算可按下面公式计算可按下面公式计算可按下面公式计算n n 式中式中式中式中 为步距角；为步距角；为步距角；为步距角；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为为为为步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。n n 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的步距角也是不同的步距角也是不同的步距角也是不同的 三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制n n(2)(2)启动频率和运行
30、频率启动频率和运行频率启动频率和运行频率启动频率和运行频率n n 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。能指标。能指标。能指标。n n 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲频率连
31、续上升时，步进电动机能不失步的最高频频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频率率率率 三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制n n (3)(3)最大静转矩和失调角最大静转矩和失调角最大静转矩和失调角最大静转矩和失调角n n 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该
32、角定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这个角度称为失调角。个角度称为失调角。个角度称为失调角。个角度称为失调角。n n 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最大静转矩大静转矩大静转矩大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。表示步进电机的承受载荷的能力。表示步进电机的承受载荷的能力。表示步进电机的承受载荷的能
33、力。三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制4.3 伺服系统中执行器的选择伺服系统中执行器的选择n n一、方案设计一、方案设计n n二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n n三、伺服系统动态设计三、伺服系统动态设计n n在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：n n1 1系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定 n n 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载
34、不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载不大，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，控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，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开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半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闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性
35、不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，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并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好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。的动态响应特性。的动态响应特性。的动态响应特性。一、方案设计一、方案设计n n2 2执行元件的选择执行元件的选择执行元件的选择执行元件的选择 n n 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速选择执行元件时应综合考虑负载能力、
36、调速选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速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、成范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成范围、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，对于开环系统可本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压
37、马达等，应优先选用步进电动制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动制的液压缸和液压马达等，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机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服机。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电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环电动机、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。伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。伺服系统可考虑选用伺服阀控制
38、的液压马达等。伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。一、方案设计一、方案设计n n3 3传动机构方案的选择传动机构方案的选择传动机构方案的选择传动机构方案的选择 n n 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连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。在伺接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺接装置，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，服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，服系统中，
39、执行元件以输出旋转运动和转矩为主，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。用于将旋转运动转而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转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换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠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螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动螺母等。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
40、也较大，但高精度的齿轮齿效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿效率，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；后条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后条制造困难，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。者因结构简单、制造容易而应用广泛。者因结构简单、制造容易而应用广泛。者因结构简单、制造容易而应用广泛。一、方案设计一、方案设计n n4 4控制系统方案的选择控制系统方案的选择控制系统方案的选择控制系统方案的选择 n n 控制系统方案的选择包括微型机
41、、步进电动机控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机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。常用的微型机有控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有控制方式、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，其中单片单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片单片机、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机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等机由于
42、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许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。一、方案设计一、方案设计n n 系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设系统方案确定后，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。其内容计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容计，即各环节设计，通常称为稳态
43、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、主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、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、放大系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大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等环节的设计与计算。稳态设计要满足系统输出等环节的设计与计算。稳态设计要满足系统输出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。能力指标的要求。能力指标的要求。能力指标的要求。二、伺服系统
44、稳态设计二、伺服系统稳态设计n n1.1.负载的等效换算负载的等效换算负载的等效换算负载的等效换算n n 为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩(回转回转回转
45、回转运动运动运动运动)或力或力或力或力(直线运动直线运动直线运动直线运动)。n n例如：例如：例如：例如：二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n n 如图所示系统中，由如图所示系统中，由如图所示系统中，由如图所示系统中，由mm个移动部件和个移动部件和个移动部件和个移动部件和n n个转动个转动个转动个转动部件组成。部件组成。部件组成。部件组成。mmi i、VVi i和和和和F Fi i分别为移动部件的质量分别为移动部件的质量分别为移动部件的质量分别为移动部件的质量(kg)(kg)、运动速度、运动速度、运动速度、运动速度(m(ms)s)和所承受的负载力和所承受的负载力和所承受的负载力和所承受的
46、负载力(N)(N)；J Jj j、n nj j和和和和T Tj j分别为转动部件的转动惯量分别为转动部件的转动惯量分别为转动部件的转动惯量分别为转动部件的转动惯量(kg(kgm2)m2)、转、转、转、转速速速速(r(rminmin或或或或radrads)s)和所承受负载力矩和所承受负载力矩和所承受负载力矩和所承受负载力矩(Nm)(Nm)。n n(1)(1)系统等效转动惯量系统等效转动惯量系统等效转动惯量系统等效转动惯量 的计算的计算的计算的计算n n系统运动部件动能的总和为系统运动部件动能的总和为系统运动部件动能的总和为系统运动部件动能的总和为 二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n n设
47、等效到执行元件输出轴上的总动能为设等效到执行元件输出轴上的总动能为设等效到执行元件输出轴上的总动能为设等效到执行元件输出轴上的总动能为n n根据动能不变的原则，有根据动能不变的原则，有根据动能不变的原则，有根据动能不变的原则，有 ，系统等效转动，系统等效转动，系统等效转动，系统等效转动惯量为惯量为惯量为惯量为n n式中式中式中式中 为执行元件输出轴的转速为执行元件输出轴的转速为执行元件输出轴的转速为执行元件输出轴的转速(radrads)s)二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n n(2)(2)等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算n n 设上述系统在时间内
48、克服负载所作的功的总和设上述系统在时间内克服负载所作的功的总和设上述系统在时间内克服负载所作的功的总和设上述系统在时间内克服负载所作的功的总和为为为为n n执行元件输出轴在时间内的转角为执行元件输出轴在时间内的转角为执行元件输出轴在时间内的转角为执行元件输出轴在时间内的转角为 ，则执行元件所作的功为则执行元件所作的功为则执行元件所作的功为则执行元件所作的功为n n由于由于由于由于 ，所以执行元件输出轴所承受的负载，所以执行元件输出轴所承受的负载，所以执行元件输出轴所承受的负载，所以执行元件输出轴所承受的负载转矩为转矩为转矩为转矩为二、伺服系统稳态设计二、伺服系统稳态设计n n2.2.执行元件功
49、率的匹配执行元件功率的匹配执行元件功率的匹配执行元件功率的匹配n n(1)(1)系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配n n 设机床工作台的伺服进给运动轴所采用电机的设机床工作台的伺服进给运动轴所采用电机的设机床工作台的伺服进给运动轴所采用电机的设机床工作台的伺服进给运动轴所采用电机的额定转速额定转速额定转速额定转速 (r/min)(r/min)是所需最大转速，其额定转是所需最大转速，其额定转是所需最大转速，其额定转是所需最大转速，其额定转矩矩矩矩 (Nm)(Nm)应大于所需要的最大转矩，即应大于等应大于所需要的最大转矩，即应大于等应大于所需要
50、的最大转矩，即应大于等应大于所需要的最大转矩，即应大于等效到电机输出轴上的负载转矩效到电机输出轴上的负载转矩效到电机输出轴上的负载转矩效到电机输出轴上的负载转矩 与克服惯性负载与克服惯性负载与克服惯性负载与克服惯性负载所需要的转矩所需要的转矩所需要的转矩所需要的转矩 (为电机加减速时的角加为电机加减速时的角加为电机加减速时的角加为电机加减速时的角加速度，速度，速度，速度，rad/srad/s2 2)之和。之和。之和。之和。n n即电机轴上的总负载力矩为即电机轴上的总负载力矩为即电机轴上的总负载力矩为即电机轴上的总负载力矩为n n考虑机械传动效率，则考虑机械传动效率，则考虑机械传动效率，则考虑机