运控专题张丽斯

运动控制系统专题设计题 目： 交直流伺服系统设计 专业班级： 电气03班 学 号： 1104150334 姓 名： 张丽斯 指导教师： 文小玲 成 绩： 2014年6月16日至6月30日摘 要随着时代的进步，科学技术的发展，电动机也在发展，性能优越，价格便宜，控制方便的电机更能符合市场的需要和技术的要求。随着近代控制技术的发展，伺服电动机及其伺服控制系统广泛应用于各个领域。 无论是数控（NC）机床、工业机器人以及工厂自动化（FA）、办公自动化（OA）、家庭自动化（HA）等领域，都离不开伺服电动机及其伺服控制系统。 进入80年代，由于微电机技术、电力电子技术以及自动控制技术的发展，伺服电动机及其伺服控制技术得到了进一步发展和完善，正向着机电一体化、轻（量）、 小（型）、高（高效、高可靠、高性能）、精（高精度、多功能、智能化）等方向发展，各种新型伺服电动机不断问世。关键词：伺服系统； 机电一体化；自动化； 伺服控制技术； 自动控制Abstract With the development progress, science and technology, the electric motor is also developing, superior performance, cheap, easy to control the motor needs to better meet the requirements of the market and technology. With the development of modern control technology, servo motor and servo control system is widely used in various fields. Whether NC (NC) machine tools, industrial robots and factory automation (FA), office automation (OA), home automation (HA) and other fields, are inseparable from the servo motor and servo control system. In the 1980s, due to the development of micro-motor technology, power electronics and automatic control technology, servo motor and servo control technology has been further developed and improved, is toward mechatronics, light (volume), small (type), high (high efficiency, high reliability, high performance), precision (precision, versatility, intelligence) and other direction, a variety of new servo motors continue to come out. Keywords： Servo System; Mechatronics; Automation; Servo Control Technology; Automatic Control目 录摘要 .1Abstract.21绪论.31.1 伺服电机的简介.31.2 伺服电机的发展阶段.31.3 伺服系统的发展趋势.42伺服电机的选型.52.1机电领域中伺服电机的选择原则.52.2 一般伺服电机选择考虑的问题.62.3 根据负载转矩选择伺服电机.72.4 根据负载惯量选择伺服电机.83 伺服系统的概述.94 伺服控制系统的结构组成.105伺服控制系统的分类和原理.106 总结.12参考文献.131绪 论 1.1 伺服电机的简介 伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置（如图1-1）。 图1-1伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降1.2 伺服电机的发展阶段伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段相联系，由直流电机构成的伺服系统是直流伺服系统，由交流电机构成伺服系统是交流伺服系统。伺服电动机至今经历了三个主要发展阶段：A.第一个发展阶段(20世纪年代以前)：步进电动机开环伺服系统，伺服系统的驱动电机为步进电动机或功率步进电动机。位置控制为开环系统。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，两相混合式步迸电机步距角一般为360、180。五相混合式步进电机步距角一般为0720、036。步进电机存在一些缺点：在低速时易出现低频振动现象；一般不具有过载能力；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象。B.第二个发展阶段(20世纪6070年代)：直流伺服电动机闭环伺服系统由于直流电动机具有优良的调速性能很多高性能驱动装置采用了直流电动机。伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域。永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。C.第三个发展阶段(80年代至今)：无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统由于伺服电机结构及其材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机，交流伺服电动机等种种新型电动机。交流伺服电机包括永磁同步电机和感应式异步电机由永磁同步电机构成的交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能。并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。又因为微电子技术的快速发展。交流伺服系统的控制方式也迅速向微机控制方向发展。并由硬件伺服转向软件伺服或智能化的软件伺服。利用PWM技术能够方便地控制输出电压的幅值、相位、频率，PWM技术已成为现代交流伺服的基础性技术。121交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，控制性能可靠。交流伺服电机具有控制精度较高、运行性能好、较强的过载能力等特点。交流伺服系统具有共振抑制功能，并且系统内部具有频率解析机能。可检测出机械的共振点，便于系统调整。交流伺服驱动系统存在的主要问题是交流伺服驱动系统的低速稳定性问题。它是制约速度控制特性的主要问题。而提高速度的动态响应，降低转速波动，改善速度的控制特性是伺服驱动控制的主要目标。 1.3 伺服系统的发展趋势 （1）交流化 目前国际市场上，几乎所有的新产品都是交流伺服系统，其中Kollmorgen公司的”金系列”代表了当代永磁交流伺服技术的最新水平，在国内生产交流伺服电机厂家也越来越多。 （2）智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能。系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式用软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口。这些参数可以在运行途中由上位计算机加以修改；其次它们都具有故障自诊断与分析功能，当系统出现故障，它会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界清楚显示出来。这就简化了维修与调试的复杂性；有的伺服系统还具有参数自整定的功能。 （3）小型化 月前，伺服系统一般将整个控制回路装在一台现场仪表里。将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体。伺服系统一体化。使得它的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等冈素对系统的影响，提高了系统的可靠性。而且最新型的伺服控制系统己经开始使用智能控制功率模块IPM。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成在一个不大的模块之中。它的应用显著地简化了伺服单元的设计。并实现了伺服系统的小型化和微型化。 （4）网络化国际上以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年来得到了长足的发展，为适应这一发展趋势，交流伺服系统也应具有标准的串行通信接口(如RS-232)和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台伺服单元与上位|算机连接成为整个数控系统。现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点。使它与INTRENET的结合成为可能，现在许多最新的伺服产品都具有现场总线接口。 2 伺服电机的选型 2.1机电领域中伺服电机的选择原则 现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。各种电机的T-曲线 （1）传统的选择方法这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，对于旋转运动用角速度(t)，角加速度(t)和所需扭矩T(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。很显然。电机的最大功率P电机，最大应大于工作负载所需的峰值功率P峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的。用峰值，T峰值表示最大值或者峰值。电机的最大速度决定了减速器减速比的上限，n上限=峰值，最大/峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，最大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，而且传动比的准确计算非常繁琐。 （2）新的选择方法一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离开，并用图解的形式表示，这种表示方法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便，另外，还提供了传动比的一个可能范围。这种方法的优点：适用于各种负载情况；将负载和电机的特性分离开；有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载。在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。比如，一个大的传动比会减小外部扭矩对电机运转的影响，而且，为输出同样的运动，电机就得以较高的速度旋转，产生较大的加速度，因此电机需要较大的惯量扭矩。选择一个合适的传动比就能平衡这相反的两个方面。通常，应用有如下两种方法可以找到这个传动比n，它会把电机与工作任务很好地协调起来。一是，从电机得到的最大速度小于电机自身的最大速度电机，最大；二是，电机任意时刻的标准扭矩小于电机额定扭矩M额定。2.2 一般伺服电机选择考虑的问题 （1）电机的最高转速电机选择首先依据机床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。式中，为电机的额定转速（rpm）；n为快速行程时电机的转速（rpm）；为直线运行速度（m/min）；u为系统传动比，u=n电机/n丝杠；丝杠导程（mm）。 （2）惯量匹配问题及计算负载惯量为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求, 负载惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内，即。式中，为各转动件的转动惯量，kg.m2；为各转动件角速度，rad/min；为各移动件的质量，kg；为各移动件的速度，m/min；为伺服电机的角速度，rad/min。 （3）空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80% 以内。式中，为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩（N.m）；为空载时加速转矩（N.m）； 为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（N.m）；为快速行程时加减速时间常数（ms）。 （4）切削负载转矩在正常工作状态下，切削负载转矩不超过电机额定转矩的80%。式中，为最大切削转矩（N.m）；D为最大负载比。 （5）连续过载时间连续过载时间应限制在电机规定过载时间之内。 2.3 根据负载转矩选择伺服电机根据伺服电机的工作曲线，负载转矩应满足：当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内，即在工作曲线的连续工作区；最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。加在电机轴上的负载转矩可以折算出加到电机轴上的负载转矩。式中，为折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；F为轴向移动工作台时所需的力（N）；L为电机每转的机械位移量（m）；为滚珠丝杠轴承等摩擦转矩折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；为驱动系统的效率。式中，为切削反作用力（N）；为齿轮作用力（N）；W为工作台工件等滑动部分总重量（N）；为由于切削力使工作台压向导轨的正压力（N）；为摩擦系数。无切削时，。计算转矩时下列几点应特别注意。 （a）由于镶条产生的摩擦转矩必须充分地考虑。通常，仅仅从滑块的重量和摩擦系数来计算的转矩很小的。请特别注意由于镶条加紧以及滑块表面的精度误差所产生的力矩。（b）由于轴承，螺母的预加载，以及丝杠的预紧力滚珠接触面的摩擦等所产生的转矩均不能忽略。尤其是小型轻重量的设备。这样的转矩回应影响整个转矩。所以要特别注意。（c）切削力的反作用力会使工作台的摩擦增加，以此承受切削反作用力的点与承受驱动力的点通常是分离的。如图所示，在承受大的切削反作用力的瞬间，滑块表面的负载也增加。当计算切削期间的转矩时，由于这一载荷而引起的摩擦转矩的增加应给予考虑。（d）摩擦转矩受进给速率的影响很大，必须研究测量因速度工作台支撑物(滑块，滚珠，压力)，滑块表面材料及润滑条件的改变而引起的摩擦的变化。已得出正确的数值。（e）通常，即使在同一台的机械上，随调整条件，周围温度，或润滑条件等因素而变化。当计算负载转矩时，请尽量借助测量同种机械上而积累的参数，来得到正确的数据。 2.4 根据负载惯量选择伺服电机为了保证轮廓切削形状精度和低的表面加工粗糙度，要求数控机床具有良好的快速响应特性。随着控制信号的变化，电机应在较短的时间内完成必须的动作。负载惯量与电机的响应和快速移动ACC/DEC时间息息相关。带大惯量负载时，当速度指令变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，当二轴同步插补进行圆弧高速切削时大惯量的负载产生的误差会比小惯量的大一些。因此，加在电机轴上的负载惯量的大小，将直接影响电机的灵敏度以及整个伺服系统的精度。当负载惯量5倍以上时，会使转子的灵敏度受影响，电机惯量和负载惯量必须满足：由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯量，并按一定的规律将其相加得到。（a）圆柱体惯量如滚珠丝杠，齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算：（kg cm2）式中，为材料的密度(kg/cm3)；D为圆柱体的直经(cm)；L为圆柱体的长度(cm)。（b）轴向移动物体的惯量工件，工作台等轴向移动物体的惯量，可由下面公式得出：（kg cm2）式中，W为直线移动物体的重量(kg)；L为电机每转在直线方向移动的距离(cm)。 （c）圆柱体围绕中心运动时的惯量如图所示：图3-1 圆柱体围绕中心运动时的惯量属于这种情况的例子：如大直经的齿轮，为了减少惯量，往往在圆盘上挖出分布均匀的孔这时的惯量可以这样计算：（kg cm2）式中，为圆柱体围绕其中心线旋转时的惯量(kgcm2)；W为圆柱体的重量(kg)；R为旋转半径(cm)。（d）相对电机轴机械变速的惯量计算将上图所示的负载惯量Jo折算到电机轴上的计算方法如下：（kg cm2）式中，、为齿轮的齿数。 3 伺服系统的概述 伺服系统的概述 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 4 伺服控制系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比较环节等五部分。 (1) 比较环节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. (2) 控制器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. (3) 执行环节 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. (4) 被控对象机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。 (5) 检测环节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. 5伺服控制系统的分类和原理 (1) 按调节理论分类A、开环即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达。它的结构简单、易于控制，但缺点是精度差，低速不平稳，扭矩小。一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。B、 闭环-误差控制随动随动系统。数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。由于是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传误差可得到补偿，提高了跟随精度和定位精度。主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。C、 半闭环-半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿。理论上精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响，系统稳定性难以调整。这种伺服系统所能达以的精度、速度和动太特性优于开环伺服系统，其复杂性和成本低于闭环伺系统，主要用于大多数中小型数控机床。 图53(2) 按驱动元件的类型分类A、电液伺服系统由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统.。常用的位置检测元件有自整角机、旋转变压器、感应同步器和差动变压器等。为改善系统性能，常采用串联滞后校正来提高低频增益，降低系统的稳态误差。此外，采用加速度或压力负反馈校正则是提高阻尼性能而又不降低效率的有效办法。B、 电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便，可靠性高。驱动元件主要有步进电机和交流伺服电机。它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题，但反应速度和低速力矩不如液压系统高，现在电机的驱动线路、电机本身的结构都得到很大的改善，性能大大提高。C、 机电伺服系统以电动机作为动力驱动元件，电动机是将电能转换为机械能的元件，功率范围宽,使用方便,容易控制，是应用最广的驱动元件。机电伺服系统按所用电机的类型又可分为直流伺服系统和交流伺服系统，它性能和结构与电机类型和控制方式有很大关系。 6 总结相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服系统必将获得更加的快速发展，智能化、网络化的交流伺服系统正成为现代伺服领域研究的热点。 参考文献1吴举秀，张爱英，田秀刚，伺服系统的发展及展望，中国新技术新产品 2009(4).2魏晓斌，徐丽玉，引人注目的交流 伺服电动机，江苏机械制造与自动化，l9962期3黄俊豪，杨鹏，季会群，施光林，伺服电机直驱式电液执行器的研究，上海交通大学机械与动力工程学院，第3期(总期46期)2011年5月