伺服系统的稳态设计

第二章 伺服系统的 稳 态 设 计,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1 设计概述,速度控制系统和位置控制系统的共同特点是：通过系统的执行元件直接或经机械传动装置带动被控对象，完成要求的机械运动。 因此工程上对它们的技术要求，主要是围绕着机械运动的规律和运动参数的要求。,2.1 设计概述,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,速 度 调 节 要 求 ： 可 逆 性 要 求：单 向 调 速、可 逆 调 速 平 滑 性 要 求：有 级 调 速、无 级 调 速 连续性要求：调速是连续的还是容 许 有 间 歇 的 。,2.1 设计概述,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,2. 系 统 输 出 轴 要 求 ： 最 大 转 速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s) 最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s) 调 速 范 围 D：,2.1 设计概述,2.1.1 速度控制系统通常的技术指标要求,3. 系 统 输 出 轴 上 负 载 力 矩 变 化 时 ，控 制 精 度 技 术 指 标 ： 转 速 降 n（ ）：n = n0 n 其 中：n0 - 控 制 信 号 一 定 的 情 况 下 ， 理 想 的 空 载 转 速 n - 控 制 信 号 一 定 的 情 况 下 ， 满 载 时 的 转 速 静 差 率 ： = ,2.1 设计概述,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,4. 阶 跃 输 入 下 系 统 的 动 态 响 应 特 性 ： 最 大 超 调 量 % 调 节 时 间 ts：偏 差 在 5 或 2 范 围 振 荡 次 数 N,2.1 设计概述,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,5. 负 载 扰 动 下 的 动 态 响 应 特 性 ： 阶 跃 扰 动 或 脉 冲 扰 动 下 ， 最 大 转 速 降 nmax(或max或Vmax) 调 整 时 间 tsf,2.1 设计概述,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,6. 其 它 要 求 ： 工 作 制 的 要 求 ：长 期 连 续 运 行 制 、间 歇 运 行 制 、 短 时 运 行 制 。 系 统 可 靠 性 要 求 ：通 常 用 连 续 运 行 无 故 障 时 间 来 衡 量 。 使 用 寿 命 使 用 环 境 条 件 ：环 境 温 度 、湿 度 、振 动 、抗 冲 击 、防 水 、防 化 、防 辐 射 、电 源 条 件 的 限 制 经 济 性 要 求 ：生 产 成 本 、标 准 化 程 度 结 构 型 式 要 求 ：体 积 、质 量 、安 装 特 点 等,2.1 设计概述,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,速 度 调 节 要 求 ： 平 滑 性 要 求：有 级 调 速、无 级 调 速 可 逆 性 要 求：单 向 调 速、可 逆 调 速 连续性要求：调速是连续的还是容 许 有 间 歇 的 。,2.1 设计概述,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,2. 系 统 输 出 轴 要 求 ： 最 大 转 速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s) 最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s) 调 速 范 围 D：,2.1 设计概述,2.1.2 位置伺服系统通常的技术要求,3. 系 统 静 误 差 es ( 系 统 静 差) 随动系统通常设计成无静差系统， 当系统静止协调时，没有位置误差。但实 际系统存在非线性因素，如：测角元件 的分辨率有限、系统输出端机械运动部 分存在干摩擦等等，都将给系统造成一 定 的 静 误 差 。,2.1 设计概述,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,4. 阶 跃 输 入 下 系 统 的 动 态 响 应 特 性 ： 最 大 超 调 量 % 调 节 时 间 ts：偏 差 在 5 或 2 范 围 振 荡 次 数 N,2.1 设计概述,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,等 速 跟 踪 时，负 载 扰 动 下 的 动 态 响 应 特 性 ： 最 大 误 差 角 em f 过 渡 过 程 时 间 tsf,2.1 设计概述,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,6. 系 统 跟 踪 状 态 下 的 误 差 指 标 ： 速度误差ev 最大正弦误差em 相 对 精 度 指 标 ： 速 度 品 质 系 数 Kv: (1/s) 加 速 度 品 质 系 数 Ka: (1/s2),2.1 设计概述,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,7. 频 率 响 应 特 性 指 标 要 求 振 荡 指 标 Mp: 位 置 伺 服 系 统 闭 环 幅 频 特 性 A ( p ) 的 最 大 值 与 A(0) 的 比 值 ；(一 般 位 置 伺 服 系 统 无 静 差 ：A(0)=1 ) 频 带 宽 度 b: 闭 环 幅 频 特 性 A(b) = 0.707 时 的 角 频 率。 相 角 储 量 ,2.1 设计概述,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,8. 其 它 要 求 ： 工 作 制 的 要 求 ：长 期 连 续 运 行 制 、间 歇 运 行 制 、 短 时 运 行 制 。 系 统 可 靠 性 要 求 ：通 常 用 连 续 运 行 无 故 障 时 间 来 衡 量 。 使 用 寿 命 使 用 环 境 条 件 ：环 境 温 度 、湿 度 、振 动 、抗 冲 击 、防 水 、防 化 、防 辐 射 、电 源 条 件 的 限 制 经 济 性 要 求 ：生 产 成 本 、标 准 化 程 度 结 构 型 式 要 求 ：体 积 、质 量 、安 装 特 点 等,2.1 设计概述,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1.3 伺服系统的设计步骤,一、调 研 1. 选 定 伺 服 系 统 各 部 件 型 号 ； 2. 确 定 各 部 件 间 接 口 方 式 ； 3. 选 择 伺 服 系 统 的 控 制 方 案 ； 4. 确 定 伺 服 系 统 的 主 干 线 路 、辅 助 线 路 及 电 源 二、理 论 设 计 1. 稳 态 设 计 负 载 分 析 计 算 选 择 执 行 电 机 选 择 检 测 元 件 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 和 选 择 2. 传 递 函 数 的 推 导 3. 动 态 设 计 希望 特 性 的 绘 制 设 计 校 正 环 节 三、调 试,2.1 设计概述,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,2.2 负载的分析计算,2.2.1 几种典型负载,直 线 运 动,旋 转 运 动,直 线 运 动,旋 转 运 动,直 线 运 动,旋 转 运 动,干 摩 擦 负 载,粘 性 摩 擦 负 载,惯 性 负 载,干 摩 擦 力 Fc （N）: Fc = |Fc| Sign V 式中： V - 负 载 线 速 度,干 摩 擦 力 矩 Mc （N m）: Mc = |Mc| Sign 式中： - 负 载 角 速 度,粘 性 摩 擦 力 矩 Mb （N m）: Mb = b2 式中：b2 (N s m) 粘性摩擦系数,惯 性 力 矩 MJ（N m）: MJ = J 式中： （rad/s2) - 负 载 角 加 速 度,粘 性 摩 擦 力 Fb （N）: Fb = b1 V 式中：b1(N s/m) 粘性摩擦系数,惯 性 力 Fm （N）: Fm = m a 式中： a (m/s2) - 负 载 线 加 速 度,1.,2.,3.,2.2.1 几种典型负载,直 线 运 动,旋 转 运 动,直 线 运 动,旋 转 运 动,直 线 运 动,旋 转 运 动,位 能 负 载,弹 性 负 载,风 阻 负 载,重 力 W（N）: W = m g,不 平 衡 力 矩 MW （N m）,弹 性 力 矩 Mk （N m）: Mk = k2 式中：k2 (N m/ rad ) 弹性摩擦系数 角位移,风 阻 力 矩 Mt（N m）: Mt = f2 2 式中： f2（N m s2) 风阻系数,弹力Fk (N): Fk = k1 L 式中：K1(N/m) 弹性摩擦系数 L (m) 线 位 移,风 阻 力 Ft （N）: Ft = f1 V2 式中： f1 (N s2/m2) 风阻系数,4.,5.,6.,2.2 负载的分析计算,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,2.2 负载的分析计算,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,直 线 运 动,旋 转 运 动,考 虑 减 速 比 i,考 虑 传 动 效 率,负载参数的折算,单 轴 传 动,多 轴 传 动,2.2 负载的分析计算,直线运动,F= Fc + Fb + Fm = Fc+ b1v + ( md + mz ) a,式中: F - 电机轴受到的合力 md - 电机动子质量 mz - 负载质量,2.2 负载的分析计算,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,直 线 运 动,旋 转 运 动,考 虑 减 速 比 i,考 虑 传 动 效 率,负载参数的折算,单 轴 传 动,多 轴 传 动,2.2 负载的分析计算,旋转运动,M = Mc + MJ = Mc + (Jd + Jz),式中: M - 电机轴受到的合力矩 Jd - 电机转动惯量 Jz - 负载转动惯量,2.2 负载的分析计算,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,直 线 运 动,旋 转 运 动,考 虑 减 速 比 i,考 虑 传 动 效 率,负载参数的折算,单 轴 传 动,多 轴 传 动,2.2 负载的分析计算,考虑减速比i,d = i z d = i z d = i z,i = i1 i2 i3 式 中： i1 、 i2、 i3 - 各 级 齿 轮 减 速 比 i - 齿 轮 减 速 器 总 的 减 速 比,2.2 负载的分析计算,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,直 线 运 动,旋 转 运 动,考 虑 减 速 比 i,考 虑 传 动 效 率,负载参数的折算,单 轴 传 动,多 轴 传 动,2.2 负载的分析计算,考虑传动效率,电机的输出功率与负载消耗功率相等 Md d = MZ Z,Md = -,MZ,i ,d = i z,2.2 负载的分析计算,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,直 线 运 动,旋 转 运 动,考 虑 减 速 比 i,考 虑 传 动 效 率,负载参数的折算,单 轴 传 动,多 轴 传 动,2.2 负载的分析计算,负载参数的折算,负载参数的折算,负载参数的折算,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,直 线 运 动,旋 转 运 动,考 虑 减 速 比 i,考 虑 传 动 效 率,负载参数的折算,单 轴 传 动,多 轴 传 动,2.2 负载的分析计算,单轴传动,已 知：负 载 W = m g ，转 子 转 动 惯 量 Jd ，辘 轮 转 动 惯 量 Jp ，直 径 2R，电 机 和 辘 轮 的 角 速 度 为 ，负 载 线 速 度 v = R,提升负载时，电机轴上的总负载力矩,下降负载时，电机轴上的总负载力矩 M=MJ-MW=(Jd+JP+mR2)2 - WR,2.2 负载的分析计算,M=,MJ,+MW,= (Jd,+JP,+mR2)1,+WR,2.2.2 负载的折算,1. 单 轴 传 动,2. 多 轴 传 动,3.直 线 运 动 与 旋 转 运 动 转 换,直 线 运 动,旋 转 运 动,考 虑 减 速 比 i,考 虑 传 动 效 率,负载参数的折算,单 轴 传 动,多 轴 传 动,2.2 负载的分析计算,多轴传动,若 电 机 轴 与 辘 轮 之 间 存 在 减 速 比 i 和 传 动 效 率 ，则,提升负载时，电机轴上的总负载力矩 M=MJ+MW= (Jd+ )1+ .,下放负载时，电机轴上的总负载力矩 M=MJ-MW= (Jd+ )2- .,2.2 负载的分析计算,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,2.2.3 负载的综合计算,负 载 运 动 有 规 律,负 载 运 动 没 有 固 定 规 律,2.2 负载的分析计算,负载运动有规律,龙 门 刨 床 工 作 台 的 控 制 系 统： 执 行 电 动 机 转 子 的 转 动 惯 量 Jd ,减 速 齿 轮 组 的 减 速 比 i,与 齿 条 相 啮 合 的 齿 轮 节 圆 半 径 R ,总 传 动 效 率 ，往 复 运 动 部 分 的 总 质 量 m ,干 摩 擦 力 Fc ,切 削 加 工 时 的 切 削 阻 力 Fp ,其 它 因 素 可 忽 略 。,例1,齿条,M=,2.2 负载的分析计算,MC,+MP,+MJ,考 虑 实 际 加 工 过 程 往 复 次数 多 ，需 要 检 验 执 行 电 机 的 发 热 与 温 升 ，为 此 要 计 算 一 周 内 转 矩 的 均 方根 值 Mdx，这 主 要 由 于Q = I2 R t ，而 M = Km I ， 因此 考 虑 Mdx 即 可 检 验 执 行 电 机 的 温 升 与 发 热 。,若 考 虑 到 电 机 在 起 动 、制 动 过 程 中 低 转 速 时 散 热 条 件 差 ， 故 加 权 系 数 1 。一 般 可 取 = 0.75 。若 起 动 段 和 制 动 段 在 一 个 周 期 内 占 的 比 例 较 大 ，可 取 = 0.5 。,2.2 负载的分析计算,2.2.3 负载的综合计算,负 载 运 动 有 规 律,负 载 运 动 没 有 固 定 规 律,负载力矩不仅与负载性质有关，还与运动状况有关。,2.2 负载的分析计算,在 没 有 固 定 运 动 规 律 的 情 况 下 ，工 程 上 常 采用 等 效 正 弦 运 动 方 法 。,负载运动没有固定规律,C = m sin i t C = m i cos i t = m i sin( it+90O) C = - m i2 sin it = m i2 sin( it+1800) m = m i m = m i2 m = m2/m i = m/m,2.2 负载的分析计算,Mdx,某 随 动 系 统 的 最 大 跟 踪 角 速 度 为 m ，最 大 跟 踪 角 加 速 度 为 m ，电 机 转 子 转 动 惯 量 为 Jd ，传 动 比 为 i，传 动 效 率 为 ， 被 控 对 象 的 干 摩 擦 力 矩 为 MC ，转 动 惯 量 是 Jz，现 求 等 效 正 弦 运 动 时 的 Mdx。,例2,2.2 负载的分析计算,负载的计算必须针对 具体对象具体的对待 不存在千篇一律的公式！,2.2 负载的分析计算,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 与 选 择 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.5.3 频 压 转 换 电 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 与 选 择,（书：5 1）,（书：5 2）,（书：5 3）,（书：第二章、 5 4）,（书：5 4）,（书：5 4）,（书：5 4）,2.3.1 执 行 元 件 概 述,执 行 元 件 种 类 电 磁 感 应 定 律 回 顾 直 流 伺 服 电 动 机 它激/永磁直流电动机 直流力矩电动机 交 流 伺 服 电 动 机 两相异步电动机,1.执行元件种类,2.3 执行元件的选择,执 行 电 动 机,直 流 电 动 机,液 压 元 件,交 流 电 动 机,液 压 电 机,液 压 动 力 缸,液 压 步 进 电 机,它 励 直 流 电 动 机,串 励 直 流 电 动 机,直 流 力 矩 电 动 机,直 流 无 刷 电 动 机,永 磁 电 动 机,两 相 异 步 电 动 机,三 相 异 步 电 动 机,滑 差 电 动 机,同 步 电 动 机,步 进 电 动 机,2.3.1 执 行 元 件 概 述,执 行 元 件 种 类 电 磁 感 应 定 律 回 顾 直 流 伺 服 电 动 机 它激/永磁直流电动机 直流力矩电动机 交 流 伺 服 电 动 机 两相异步电动机,2.电磁感应定律回顾,线 圈 感 应 电 动 势（法拉第 定 律）,电机中常见的是磁通随时间按正弦规律变化：,2.3 执行元件的选择,其中： B - 磁 感 应 强 度 l - 切 割 磁 力 线 的 直 导 体 的 长 度 V - 直 导 体 切 割 磁 力 线 的 线 速 度,导体切割磁力线的感应电动势（右手定则）,2.3 执行元件的选择,由于流过线圈中的电流随时间变化而 在线圈内感应的电动势称自感电动势。,若电流i随时间按正弦规律变化：,自感电动势,2.3 执行元件的选择,电磁力定律,载流导体在磁场中受到电磁力的作用。 当磁场与导体互相垂直时，作用在导体 上的电磁力的方向按左手定则确定。,2.3 执行元件的选择,2.3.1 执 行 元 件 概 述,执 行 元 件 种 类 电 磁 感 应 定 律 回 顾 直 流 伺 服 电 动 机 它激/永磁直流电动机 直流力矩电动机 交 流 伺 服 电 动 机 两相异步电动机,3. 直流伺服电动机,它激/永磁直流电动机,工作原理：,动态方程：,电枢回路电压平衡方程式：,电动机的电磁转矩：,电枢绕组感应电动势：,电动机的输出转矩：,2.3 执行元件的选择,机械特性,机械特性指控制电压恒定时，电机的转速 随转矩变化的关系，即ua=常数，=f(M),ua=常数时，,2.3 执行元件的选择,R10,R11,D1,D2,2.3 执行元件的选择,a,b,应用,c,直流力矩电动机,定义：,直流力矩电动机是一种 由伺服电动机和驱动电机相 结合而形成的特殊电机。 它可以不用齿轮等减速 机构直接驱动负载，并由输 入控制电压信号直接调节负 载的转速。 在位置控制方式的伺服 系统中，它可以长期工作在 堵转状态，而在速度伺服系 统中又可以工作在低速状态，且输出较大的转矩。,Jd小， Ld可以忽略， Md大， Ta可以忽略。,2.3 执行元件的选择,机械特性,特点,2.3 执行元件的选择,提高了位置和速度的控制精度,其转矩-电流特性的线性度好,运行可靠、维护简便、振 动机械噪声小和结构紧凑等,2.3.1 执 行 元 件 概 述,执 行 元 件 种 类 电 磁 感 应 定 律 回 顾 直 流 伺 服 电 动 机 它激/永磁直流电动机 直流力矩电动机 交 流 伺 服 电 动 机 两相异步电动机,4. 交流伺服电动机,结构,2.3 执行元件的选择,两 相 异 步 电 动 机,工作原理,设ic向右为正，ij向 下为正，如右图所示。 uc在相位上滞后uj 900。,0,2,2.3 执行元件的选择,控制方式,幅 值 控 制,相 位 控 制,幅 相 控 制,2.3 执行元件的选择,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 与 选 择 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.5.4 频 压 转 换 电 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 与 选 择,（书：5 1）,（书：5 2）,（书：5 3）,（书：第二章、 5 4）,（书：5 4）,（书：5 4）,（书：5 4）,2.3.2 执行电机的选择,单 轴 传 动 系 统 电 机 的 选 择 一 般 高 速 电 机 的 选 择 低 速 力 矩 电 机 的 选 择 多轴传动一般高速执行电机的选择,2.3.2 执行电机的选择,2.3 执行元件的选择,负载通常给定技术指标： m、m、ec、ev、ea、em、JZ、MC、ts,1.单轴传动系统电机的选择,一般高速电机的选择,低速力矩电机的选择,电 机 给 定 技 术 指 标 ： 一般电机：Ue、ne、Ie、Pe、Me、Jd kgm2 若未给Jd，给出GD2（飞轮转矩）则 两相异步电机：Ue、Ie、Pe、Me、n0、Mdd(堵转力矩）、 Tm(电机的机电时间常数） ，此时 最大,一般高速电机的选择,2.3 执行元件的选择,ne nm = Me Mc + ( Jd + Jz ) m 过载检验：MeMm 普通型:= 1.6-2.2 起重型: 2.2-2.8 鼠笼转子:1.8-2 空心杯转子:1.1-1.4 直流电动机：2.5-3，若绝缘好，4-5 t1秒时：10,2.3 执行元件的选择,执行电机的选择,t3秒：,三相异步电机,两相异步电机,低速力矩电机的选择,2.3 执行元件的选择,电 机 给 定 技 术 指 标 ：n0、Mfd、Mld、Um、U、Jd kgm2,试凑：M = Mc + ( Jd + Jz ) m， 验算： 稳态检验 0= n0 L0= n0 =0 若t3秒，则检验MAM，否则重选电机。 若t 3秒，则检验MBM，否则重选电机。,执行电机的选择：,M,0,Mfd,Mld,L0,A,B,MB,MA,此时=,求力矩电机的电势系数 过载检验： Umax - 快速反转所加的电枢最大电压 max - 最大角速度 R - 电枢回路总电阻 Km(Nm/A) - 电机转矩系数, 短时过载检验,2.3 执行元件的选择,式中：,要求b 带宽b的概念 闭环传递函数 ，则 =b时， 根据经验公式：在300600时，工程上近似有 b(1.22)C, 动态检验,2.3 执行元件的选择,若系统动态指标提出要求：b, tts,c与的关系,2.3 执行元件的选择,当=c时,M与的关系,2.3 执行元件的选择,或,（力矩电机）,（普通电机）,k 在 Bode 图 上 的 反 映 如 右 图 所 示， 电 机 的 饱 和 特 性 为 一 条 - 40dB/dec 的 直 线。,若系统要求过渡过程时间tts,2.3 执行元件的选择,根据,式中：,或,只 有 经 过 稳 态 检 验 、短 时 过 载 检 验 和 动 态 检 验 等 几 方 面 的 检 验 均 满 足 要 求 时 ， 可 认 为 所 选 电 机 满 足 要 求 ， 否 则 重 选 电 机 ！,2.3 执行元件的选择,2.3.2 执行电机的选择,单 轴 传 动 系 统 电 机 的 选 择 一 般 高 速 电 机 的 选 择 低 速 力 矩 电 机 的 选 择 多轴传动一般高速执行电机的选择,2.3 执行元件的选择,2. 多轴传动系统电机的选择,简单初选,验算,负 载 通 常 给 定 技 术 要 求 ： m、m、ec、ev、ea、em、JZ、MC、ts,简单初选,2.3 执行元件的选择,根据, 初选速比i,假设=1，则电机轴上总负载力矩,令M最小，即负载力矩折算到电机轴上最小：,将M折算到负载轴：, 初选电机：,2.3 执行元件的选择,其中：,两相异步电机：,力矩电机：, 再选速比i,2.3 执行元件的选择,1: 负载达到m时，电机尚未达到ne,1: 负载达到m时，电机正好达到ne,1: 负载达到m时，电机已超过ne,根据,若要求电机输出达到Me时，系统输出的角 加 速 度 最 大:,减速器的形式、减速级数与速比分配,2.3 执行元件的选择,减速器的形式,减 速 级 数 N 选取N的原则：使传动装置的转动惯量Jp最小。,通 常 Jp(0.1-0.3)Jd 。,N=1,N=2,N=3,N=4,转动惯量比值Jp/J1,各级速比的分配,2.3 执行元件的选择,假设系统总传动比i=300,N=3, 3, 2,N=总传动级数,300,i1 = 2.5,i1 = 300/2.5=120,i2 = 4,i3 = 120/4=30,120, 传动效率估计：=iN,2.3 执行元件的选择,正齿轮付传动效率：,i=0.94-0.96,对研后，i0.98,椎齿轮付传动效率：i=0.92-0.96,蜗轮蜗杆传动效率：,Z=1：i=0.7-0.75,Z=3或4：i=0.82-0.89,Z=2:i=0.75-0.82,执行电机的验算,2.3 执行元件的选择, 验算执行电机的发热与温升,条件：假设电机做正弦运动，长期运行。,在伺服系统中常用求间接等效转矩检验电机：,验算：,从额定功率角度验算：Pe(0.8-1.1)Mdxim,从额定转矩角度验算：Me(0.8-1.1)Mdx,2.3 执行元件的选择, 短时过载检验,一般电机：,力矩电机：, 验算动态性能,2.3 执行元件的选择,位置伺服系统：因为过渡过程时间通常小于3秒，,若要求b：,可短时过载。由前所述：m=emc2，k=emk2,b（1.2-2) c,若要求tts：,速度伺服系统,2.3 执行元件的选择,若对b有要求：b（1.2-2)c,当=c时：,2.3 执行元件的选择,若对过渡过程时间ts有要求：,2.3 执行元件的选择,多轴传动系统执行电动机的选择总结,第一步 简 单 初 选 1、初选电机 2、再选速比 3、减速器的形式、减速级数与速比分配 4、传动效率估计,=iN,第二步 执 行 电 机 的 验 算 1、验算电机的发热与温升 2、短时过载检验 3、验算动态性能 1）位置伺服系统 2）速度伺服系统,从额定功率角度验算：Pe(0.8-1.1)Mdxim,从额定转矩角度验算：Me(0.8-1.1)Mdx,一般电机：,力矩电机：,2.3 执行元件的选择,作 业,1、某随动系统给定技术指标,选择电机并验算（详细写出选择步骤及验算步骤）。,给定直流伺服电动机技术指标：,2.某随动系统的执行电机选用的是45SZ31型它激直流电机。已知电机的额定转矩Me=4.710-3Kgm,电机转子转动惯量Jd=810-5Kgm2,电机过载系数=4，它与负载之间的传动比i=200，传动效率=0.85，负载转动惯量Jz=3Kgm2,负载干摩擦力矩Mc=0.1Nm，当系统最大跟踪误差em =30，,忽略减速器的转动惯量，求：1）该电机带动负载所能响应的最大角频率k=?2)所能产生的最大角加速度k=?,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 与 选 择 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.5.4 频 压 转 换 电 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 与 选 择,（书：5 1）,（书：5 2）,（书：5 3）,（书：第二章、 5 4）,（书：5 4）,（书：5 4）,（书：5 4）,1. 角速度的检测,测速元件主要有： (1). 测 速 发 电 机 (2). 测 速 电 桥 (3). 光 电 测 速 码 盘 (4). 速 率 陀 螺 等,2.4 检测元件的选择,2.4.1 伺服系统的测速与测角,角 速 度 的 检 测 测 速 发 电 机 光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角 电 位 计 差 动 变 压 器 自 整 角 机 旋 转 变 压 器,测速发电机,2.4 检测元件的选择, 定 义 ： U=Ke 式中：, 伺 服 系 统 对 测 速 发 电 机 的 主 要 要 求 ： 输出特性呈线性关系并保持稳定； 电机的转动惯量要小，以保证反应迅速； 电机的灵敏度要高。,直流测速发电机: 它激式直流测速发电机 永磁式直流测速发电机 交流测速发电机: 交流异步测速发电机 交流同步测速发电机, 分 类：,2.4 检测元件的选择, 直流测速发电机,2.4 检测元件的选择,空载时：,输出特性,0，,u1 /RL ，,负载时：,ia=,Ea=Ke,ia=,Ea-iaRa=,u1=,u1=,产生误差的原因及改进措施：,2.4 检测元件的选择,饱 和 倾 向 ：由 于 电 枢 反 应 不灵敏 区 ：由 于 电 刷 接 触 压 降 u1 = Ea - iaRa - ub,饱和倾向,应用,2.4 检测元件的选择,PI 调 节 器,放 大 装 置,执 行 机 构,测 速 发 电 机 反 馈,usr,uf,-,PI 调节器,测速发电机,2.4 检测元件的选择,uf=Cen=Ke, 交流异步测速发电机,结 构及工作原理,2.4 检测元件的选择,输出特性,异 步 测 速 发 电 机 输 出 电 压 的 频 率 即 为 激 磁 电 源 的 频 率 ，与 转 子 转 速 n 的 大 小 无 关 ; 它 的 幅 值 大 小 则 正 比 于 转 子 转 速 n ; 输 出 电 压 在 相 位 上 滞 后 于 激 磁 电 压 ,一 般 小 于 300 。,j,f,f,剩余电压,异步测速发电机的应用,2.4 检测元件的选择,- +,usr,c1,c2,c3,c4,c5,c6,+E,W,A,R1,R2,R3,R4,R5,R6,T1,T2,T3,R7,R8,R9,B1,2.4 检测元件的选择,运放A构成一个同相比 例放大器。其放大系数,比例调节器,功放,其它,2.4 检测元件的选择,电感：,电容：,其无功功率：Q=QL+QC=I1U-I2U,考虑电感电容消耗的功率，令U=Umcost,角 速 度 的 检 测 测 速 发 电 机 光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角 电 位 计 差 动 变 压 器 自 整 角 机 旋 转 变 压 器,2.4.1 伺服系统的测速与测角,光电测速码盘,2.4 检测元件的选择, 结 构：,光源,光敏传感器,电机轴, 工作原理：,fc =,N,60,n,HZ,2.4 检测元件的选择, 转向的判别,当电机正转时(逆时针）， 脉冲UA超前UB 900。,当电机反转时(顺时针）， 脉冲UA滞后UB 900。,2.4.1 伺服系统的测速与测角,角 速 度 的 检 测 测 速 发 电 机 光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角 电 位 计 差 动 变 压 器 自 整 角 机 旋 转 变 压 器,测 角 元 件 主 要 有： (1). 电位计 (2). 差动变压器 (3). 微同步器 (4). 自整角机 (5). 旋转变压器 (6). 测角陀螺 等,2. 用典型元件测角（位移）,2.4 检测元件的选择,电位计, 分类,按电压分类 交流电压供电的电位计 直流电压供电的电位计,按运动形式分类 直线位移式电位计 转角式电位计, 结构,2.4 检测元件的选择, 应用,2.4 检测元件的选择, 特点,其运动范围都是有限的，只能用于转角 或 位 移 有 限 的 系 统 中 。,电位计测角成本较低，但精度和可靠性也较低。,角 速 度 的 检 测 测 速 发 电 机 光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角 电 位 计 差 动 变 压 器 自 整 角 机 旋 转 变 压 器,2.4.1 伺服系统的测速与测角,差动变压器, 分类,按运动形式分类 直线位移式差动变压器 转角式差动变压器, 结构,直线位移式差动变压器结构及等效电路,2.4 检测元件的选择, 差动变压器的优缺点,优点,缺点,没有触点，精度高，分辨率高，线性度好。,其位移和转角都是有限制的，动态范围小， 检测小角度机械信号100；输出是交流信 号；输入输出在空间上相距很近才行。,2.4 检测元件的选择,角 速 度 的 检 测 测 速 发 电 机 光 电 测 速 码 盘 用 典 型 元 件 测 角 电 位 计 差 动 变 压 器 自 整 角 机 旋 转 变 压 器,2.4.1 伺服系统的测速与测角,自整角机, 定义,自整角机是一种将转角转换成 电信号或将电压信号变换为转 角的感应式电传感元件，在系 统中通常是两个或两个以上自 整 角 机 组 合 使 用 。,2.4 检测元件的选择, 分类,按 使 用 要 求 分 类,按 用 途 分 类,力矩式自整角机：通常用于指示系统,控制式自整角机：主要用于随动系统,差动式自整角机：,控制式发送机：其作用将转子转角的变 化转变为电信号输出。,控制式接收机：它工作在变压器状态，又 称控制式自整角变压器。,2.4 检测元件的选择, 结构,控制式自整角发送机,控制式自整角接收机,2.4 检测元件的选择,r,c,uc, 输出特性, 应用,2.4 检测元件的选择, 控制式自整角机的两个零点,2.4 检测元件的选择,两个零点,r-c=e,e=0,uc=0点：,e 0时，,cr ，,uc 0 ，,c ，,e0,e 0时，,cr ，,uc 0 ，,c ，,e0,cr ，,cr ，,r-c=e,e=,uc=0点,e时，,cr-，,uc0，,c ，,e 0,e时，,cr-，,uc0，,c ，,e 2,cr-2，,cr，,两个零点的转化,2.4 检测元件的选择, 双通道测角线路,自整角机发送机和接收机精度如下：,自整角