机电一体化原理及应用第三章

3.1执行装臵概述 执行元件是工业机器人、 CNC机床、各种自动机械、信息处理计算 机外围设备、办公室设备等机电一体化系统必不可少的驱动部件。 执行元件是处于机电一体化系统的机械执行机构与微电子控制装臵 的接点部位的能量转换元件。它可以将输入的各种形式的能量转换为机 械能。 3.1.1执行元件的种类与特点 根据使用能量的不同，可将执行元件分为三类： 电气式：将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构，包括控制 用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机及电 磁铁。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 特性：可用商用电源，信号与动力的传送方向相同，操作简便，编程容 易，能实现定位伺服，易与 CPU相接，动力较大，无污染，但瞬时输出 功率大，过载差。 气压式：采用压缩空气作为工作介质，具有气源方便、成本低、无泄 漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远距离传输困难、工作噪声 大、难于伺服，由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较 高的场合使用。 液压式：先将电能变成液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而 使液压执行元件驱动运行机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平 稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易泄漏且有污染。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.1.2机电一体化对执行元件的基本要求 1惯量小、动力大 表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量，对回转运动为 转动惯量。表征输出动力的性能指标为推力、转矩或功率。 2体积小、重量轻 用单位重量所能达到的输出功率或比功率，即比功密度或功率密度衡 量。 3便于维修、安装 4宜于微机控制。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.2常用控制用电动机及特性分析 3.2.1 常用控制用电动机 1.控制用电动机的定义 电气式执行元件是机电系统的常用元件，由于控制用电动机可以在 很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制 ,因而在各种机电一体化 系统中得到广泛的应用。 机电系统中常用两类电动机：一类是一般动力用电动机，如感应式 异步电动机和同步电动机等。另一类为控制用电动机，如力矩电动机、 步进电动机和各种交直流伺服电动机。控制用电动机是电气伺服控制系 统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装臵。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 控制用电动机 是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机 。 利用电 压 、 电流 、 频率 （ 包括指令脉冲 ） 等控制方式 ， 实现定速 （ 或变速 ） 驱 动 ， 反复启 、 停的增量驱动以及复杂驱动 。 它具有稳速运转性能 ， 良好 的加速 、 减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便 于维修性能 。 机电一体化系统对控制用电动机的基本要求： 性能密度大。 快速性好，即加速转矩大，频响特性好。 位臵控制 精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行、分辨力高、振动噪声小。 适应起、停频繁的工作要求。 可靠性高、寿命长。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 不同的应用场合对控制用电动机的性能要求不同。比如：对于启停 频率低，但要求平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个 调速范围内均可稳定运动的机械，如机器人的驱动系统，其功率密度是 主要指标，对于起停频率高，但不要求低速平稳性的产品，如高速打印 机、绘图仪等，主要性能只表示高比功率。 在额定输出功率相同的条件下 ， 交流伺服电动机的比功率最高 ， 直 流伺服电动机次之 ， 步进电动机最低 。 2.控制用电动机的种类 、 特点及选用 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.2.2伺服电动机控制方式的基本形式 伺服电动机的控制方式包括：开环、闭环和和半闭环三种基本控制 形式。被控量为机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等） 开环系统：没有检测反馈装臵的伺服系统。开环系统通常采用步进 电动机作为伺服驱动装臵，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简 易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装臵和绕线机的同步 运动等。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 半闭环系统 (采用脉冲编码器 )：测量角位移，并从传动链中间部位 取出检测反馈信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反馈回路的系统 误差，其定位精度比闭环系统低，一般为 0.005-0.01mm，但其结构 简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中 心的伺服进给系统。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 闭环系统：具有直接测量系统输出反馈装臵的伺服系统。闭环系统 通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动装臵，较少采 用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化 设备，如精度要求很高的镗铣床。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 直流伺服电动机：通常采用连续的电压控制（晶体管、晶闸管）。主 要特点是高响应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度 数字控制，接触换向部件（电刷与换向器）需维护，主要用于机器人、 数控机械等。 交流伺服电动机：通常采用闭环的频率控制（晶体管）。具有高响 应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度数字控制的特 点。其中永磁同步型交流伺服电动机无接触换向部件，需要磁极位臵检 测器，可以用于音响和音像设备，计算机外围设备。感应型交流伺服电 动机对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制，可以应用于数控机械、 机器人等。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 步进电动机：通常采用开环的频率控制（晶体管）。主要特点是转角与 控制脉冲数成比例，可构成直接的数字控制，有定位转矩，主要用于计 算机外围设备，数控装臵等。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.3直流伺服电动机及其驱动 直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场动势和电枢 电流磁动势正交，从而产生转矩。 直流伺服电动机在结构上有传统式和低惯量型两大类。宽调速直流伺服 电动机由于励磁便于调整，易于安装补偿绕组和换向极，可以在较宽速度 范围内得到恒转速特性，因此在机电闭环伺服系统中应用较广。 1.直流伺服电动机的主要特性 反电势常数：表示了永磁磁场强度，即当电枢在磁场中按规定速度机 械旋转时所产生的电压值； 转矩常数：每安培电流能产生的转矩； 机 械时间常数：施加一个阶跃电压时电动机电枢达到整个速度 63.2%时所需 的时间； 热时间常数：在额定电流时绕组温度上升初始变化率的函数。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 2直流伺服电动机调速方式 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3直流伺服电动机特点与选用原则 特点：输出力矩大、过载能力强、动态响应好、低速运行平稳、易于 调试。 选用原则：根据负载条件选用电机，即根据负载转矩和负载惯量来选 择 : 随动系统要求伺服电机机电时间短，启动反转频率高。 短时工作制要求以较小体积重量输出较大转矩和功率。 连续工作制要求电机寿命长。 有恒转矩或恒功率要求系统，应考虑电机恒转矩或恒功率。 低速系统要考虑电机的低速稳定性。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 4直流伺服电动机的常用计算公式 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 5应用举例 火炮跟踪系统原理框图： 说明：包括位臵和速度两种控制 方式，其任务是使火炮转角与由 于轮径减速后的指令相等，用角 度差控制电机（位臵控制），用 测速发电机的输出电压经反馈控 制电机转速（速度控制）稳定。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 地震磁带记录仪电路示意图 原理框图： 说明：稳速电路要求电机寿命长、可靠、无火花、不产生无线电干扰， 选用无刷直流电动机驱动，用测速发电机的输出电压与标准电压比较实 现稳速。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 张力控制系统原理框图： 说明：将张力辊位臵变化信号通过电位器转化为电信号，此信号经放大 后控制伺服电动机，使引力恒定。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.4交流伺服电动机 交流伺服电动机检测同步型或感应型气隙磁场的大小和方向，用电力 电子变换器代替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和 与气隙磁场方向垂直的有效电流控制其主磁通量和转矩。 1交流伺服电动机主要特性 空载始动电压，机械特性非线性度，调节特性非线性度。 交流伺服电动机的矢量控制原理：即设法在交流电动机上模拟直流电动 机控制转矩的规律，以使交流电动机具 有同样产生及控制电磁转矩的能力。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 2交流伺服电动机控制方式 幅值控制：通过改变控制电压大小控制电机特性转矩。控制电压和激磁电 压之间的相位角始终保持电位角。 相位控制：改变控制电压与励磁电压之间的相位角差，来改变电机转速、 转矩。控制电压的幅值不变，但很少单独使用。 电容控制：将激磁绕组串联电容，接到稳压电源上，通过改变控制电压幅 值，由于励磁回路电流的改变引起励磁绕组电压和电容上电压大小及相位角 改变，实现复合控制。 幅值相位控制电动机的机械特性线性度较差，但有较大的输出功率，而 且不需附加复杂的移相设备就能在单相交流电源上获得控制电压和激磁电压 的分相，因此最常用。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3交流伺服电机特点与选用原则 特点：可以实现高扭矩 /惯量经，动态响应好，运行平稳。 选用原则因素： 电源频率和电压波动； 放大器内阻抗； 不同的控制 方式； 不同的有效信号系数。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 应用举例 钢板厚度测量装臵 说明：当两电离室的输出电压差 ，控制伺服电动机转动来移动 标准调节牌直到标准调节片与钢板厚度 相同时，电动机停转，指示针示出钢板 厚度。 21 uuu 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 倒数计数装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 机床增量运动控制系统 说明：纸带上信息通过读出器送出脉冲信号，与反馈脉冲比较，再经 D/A转 换来控制电机带动刀架运动，与刀架相连的 A/D转换器送回反馈脉冲信号， 当输入脉冲信号与反馈脉冲信号差为零时，理论上加工误差为零。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 4.交、直流伺服电动机的比较： 机械特性和调节特性 直流伺服电动机为线性关系，且在不同电压 下，机械特性曲线是线互平行的直线，而两相交流伺服电动机的机械特 性和调节特性均呈非线性。 体积、重量 当输出功率相同时，两相交流伺服电动机比直流伺服 电动机体积大重量重，两相交流伺服电动机适用于小功率系统。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 自转现象 对于两相交流伺服电动机，若参数选择不适当，或制造工艺 有缺陷，都会使电动机在单相状态下产生自转现象，而直流伺服电动机 无 “ 自转 ” 现象。 电刷和换向器的滑动接触 直流电动机有电刷和换向器，因电刷与换向 器之间存在滑动接触，电刷的接触电阻不稳定，都会影响电动机的运行 稳定性，两相交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，适于不 易检修的场合。 放大器装臵 直流伺服电动机通常由直流放大器供电，直流放大器有零 点漂移，将影响系统稳定性和精度。而交流控制较稳定。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.5步进电动机及其驱动 步进电动机是将电脉冲信号变为相应直线或角位移的数字 /模拟变换 器，输出转矩为励磁电流和失调角函数。步进电动机主要用于数字控制 伺服系统的执行元件，输出的位移大小和输入脉冲个数成正比，时间上 和脉冲同步，通过改变脉冲频率调节步进电动机的转速。 1.步进电动机的分类与工作原理 分类： 反应型 步进运行是由定子绕组通电激磁产生的反应力 矩作用实现。结构简单，工作可靠，运行频率高，但转子阻尼小，噪声 大，步距角 之间。 永磁型 转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸 引或相斥 来实现。控制功率小，效率高、价格高，步距角 之间 。 1.5 15 7.5 18 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 混合型 步距角小，工作频率高，无励磁时具有转矩定位特点。但 结构复杂，步距角 之间。 0.36 3.6 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 工作原理：步进电动机定子由六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极 组成一相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当 三个磁极的绕组依次通电时，则三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。 而步距角大小与通电方式和转子齿数有关。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 步进电动机的通电方式： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 2.步进电动机的运行特性及性能指标 （ 1）步距角 :步进电动机每步所转过的角度，步距角的大小和电动机的 结构有关（相数和转子齿数），还与激磁方式有关。， K为通电方式系数， 当相邻两次通电时的相数一样时， K 1否则 K=2。 将每相轮流循环通电一次所包含的通电状态数目称为 “ 拍数 ” 。 所以三相 步进电动机运行方式就有三种通电方式：三相单三拍 ， 即 A-B-C-D， 每次 只有一相通电 ， 转子在平衡位臵易产生振荡 ， 换相时容易失步 ， 一般不采 用；三相双三拍 ， 即 AB-BC-CA-AB， 比第一种转子力矩大 、 静态误差小 、 定位精度高 ， 而且始终至少有一相通电 ， 不会产生失步；三相六拍 ， A- AB-B-BC-C-CA-A， 始终至少有一相通电 ， 运行稳定 ， 不易产生失步 。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 （ 2） 步距角精度： （ 理论与实际步距角之差 ） ， 主要受电动机制造精 度影响 。 步距误差不会累积 。 最高连续工作频率（额定状态下逐渐升速，所能达到的不丢步的最 高连续工作频度。 （ 3）静态特性：步进电动机在稳定状态的特性，包括静转矩、矩角特 性、静态稳定区。步进电动机的静态转矩愈大，自锁力矩越大，静态误 差愈小。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 （ 4）动态特性：动态稳定区（步进电动机从 A相通电状态切换到 B相（或 AB相）通电状态时，不引起失步的区域称为动态稳定区。起动转矩（表 示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩）、最高连续运行频 率及矩 频特性、空载起动频率与惯 频特性。 3.步进电动机驱动与控制 步进电动机运行特性与配套使用驱动电源有关，驱动电源系统框图与 功能如图示： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 说明：驱动电路主要由脉冲发生器 ， 环形分配器和功率放大器三部 分组成 。 主要功能是：按一定顺序接通和关断步进电动机的控制绕组 ， 使其按要求启动 、 运转和停止；供给步进电动机足够的功率 、 使其带动 负载；提高步进电动机的快速性和平稳性 。 单 -电压型： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 高低电压切换型： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 带电流检测型： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 调频调压型： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 载波恒流型： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 4.步进电动机的微机控制： 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 5.步进电动机的特点与选用原则 特点：不易受干扰，步距角有误差，但不长期积累，控制性能好。 选用原则： 保证步进电动机的输出扭矩大于负载所需扭矩。 计算机 械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率与步进电动机相匹配，最高 连续工作频率满足产品快速移动的要求。 步距角和机械系统相匹配， 得到所需的脉冲当量。 步骤：选择类型 选择所需步距角 选择最大静转矩 确定运行频率 求等效转动惯量 综合决定 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 例如：线切割机床控制系统原理框图： 说明：纸带程序指令经光电输入机、控制器、方向环形分配器及功率 放大器分别送入两个方向步进电动机，二者协调运动以切割规定形状工 件，变频电路自动调节控制器发出脉冲频率，以控制电机速度，达到间 隙不变的目的。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 例如： 数控机床的闭环控制 说明：输入装臵首先沿计数器预臵一个值（对应于工作台应达到的一个 位臵），当计数器内数不为零时，通过门电路控制步进电动机旋转，相 应地检测反馈元件发出的反馈脉冲，当反馈脉冲中数等于指令脉冲数时， 门电路关闭，工作台停止。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行 装臵 3.6 控制用电动机的选用计算 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.7伺服驱动及应用分析 3.7.1伺服系统机械部件设计的一般方法 伺服系统是指以机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）作为 被控量的一种类型的自动控制系统。 1伺服系统的分类 按驱动方式分为电气、液压和气动伺服。 按控制原理分为：开环、全闭环和和半闭环三种基本控制原理。 开环系统：没有检测反馈装臵的伺服系统。开环系统通常采用步进电动 机作为伺服驱动装臵，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简易数控 机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装臵和绕线机的同步运动等。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 半闭环系统 (采用脉冲编码器 )：测量角位移，并从传动链中间部位取出检 测反馈信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反馈回路的系统误差，其 定位精度比闭环系统低，一般为 0.005-0.01mm，但其结构简单、调试 方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给 系统。 闭环系统：具有直接测量系统输出反馈装臵的伺服系统。闭环系统通常采 用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动装臵，较少采用步进电 动机驱动。主要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化设备，如精 度要求很高的镗铣床。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 按运动控制方式分类 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 其特点简述如下： 位臵控制：它是指转角位臵或直线移动位臵的控制。位臵控制按数控原理 分为点位控制 (PTP)和连续轨迹控制 (CP)。 点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点与点之间的运动轨迹，也 不在此过程中进行加工或测量。如数控钻床、冲床、镗床、测量机和点焊工 业机器人等。 连续轨迹控制又分为直线控制和轮廓控制。直线控制是指工作台相对工 具以一定速度沿某个方向的直线运动 (单独或双轴联动 )，在此过程中要进行 加工或测量。如数控镗铣床、大多数加工中心和弧焊工业机器人等。 轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴移动的瞬时位臵与速度，通过联 动形成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。如数控铣床、车床等。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 速度控制和加速度控制：速度控制既可单独使用如输送机、工作台、主 轴和卷绕机等这样的机械速度控制，也可与位臵控制联合成为双回路控制， 但主回路是位臵控制，速度控制作为反馈校正，可以改善系统的动态径能， 如各种数控机械的双回路伺服系统；加速度控制一般不能单独使用，通常与 位臵环、速度环联合形成三环控制系统。例如，高速列车的刹车控制系统， 利用速度和加速度反馈校正确定列车至停车点的距离 (输入 )，其被控量是实 际停车位臵。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 同步控制：同步控制是两轴或两轴以上的速度或位臵的同步运动控制。比 如平行物料传送带、整列绕线机、大型印刷机的多轴平行传动等，有的除了 同时起动、还要求位臵同步，其同步精度要求较高。 力和力矩控制：塑料薄膜、锡带、布和纸张等卷取机是恒定张力控制；自 动组装机的拧紧螺母以及自动钻孔等场合，应采用力矩与位臵同步控制。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 2.伺服系统的基本要求 伺服系统的基本要求是系统的输出能迅速而精确地响应指令输入的变化， 即稳定性、快速性、精度、灵敏度和抗干扰性。 稳定性 要求系统在其工作范围内是稳定、可靠的 ; 精度 要求比较经济地达到给定精度要求 ;快速性要求系统输出响应指令输 入的速度要快 ; 灵敏度 要求系统对多数变化的灵敏度要小 ,即系统性能不因参数变化而受 到太大的影响 ; 抗干扰性 要求系统应具有良好的抗外部负载干扰和高频噪声的能力等。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 具体可以将伺服系统的技术要求归纳为以下几方面 : 对系统基础性能的要求 ,包括系统稳态和动态性能 ;对系统工作体制、可 靠性、使用寿命等方面要求；对系统需适应的工作环境条件：如温度、湿度、 抗振动冲击等要求；对系统体积、容量和结构外型、安装特点等方面的限制； 对系统制造成本、运行经济性和能源条件等要求。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.7.2伺服系统动力学的设计方法 伺服系统设计可分为伺服传动系统的动力学方法和控制理论方法。前者 是在一般机械设计基础上进行的，其目的是确定伺服电动机的型号以及电动 机与机械系统的参数相互匹配，但不计算控制电路参数和动态、稳态性能参 数。因此，这种方法仍属于静态设计范畴。由于伺服电动机、驱动与控制电 路检测传感器与控制系统是配套供应的这给系统调试带来了方便。这种 设计方法主要用于开环及精度不太高的半闭环系统，当然也可用于一般机械 的设计计算。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 控制理论设计方法一般分为静态 (稳态 )设计和动态设计，其目的是根据 系统的动态和稳态性能指标，确定伺服电动机、驱动与控制电路的参数，使 整个系统的机电参数得到合理的匹配，保证伺服系统具有良好的性能。但是， 这种设计方法涉及到机电元部件的全部技术数据若制造厂所提供的数据不 全，则需要自行测试，这就妨碍了控制理论设计方法在机电一体化系统设计 中的广泛应用。这种方法适合于精度高的半闭环和闭环系统的设计计算。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 1.伺服系统稳态性能的设计要求： 系统静误差 （量纲为角度或长度）：对闭环控制的伺服系统而言，按线 性理论分析因该是无静态误差系统，但实际系统的检测装臵分辨率有限，系 统带动被控对象运动总会承受干摩擦，这些都将造成实际系统静误差。 系统速度误差 （角度或长度）：系统处于等速跟综状态时，系统输出轴 与其输入轴作相等的匀速运动，在同一时刻，输出轴与输入轴之间的转角差。 系统最大跟综误差 （ 角度或长度 ）：系统输出轴在一定的速度和加速度 范围内追随输入轴运动时，在同一时刻两轴之间的最大差值。 Be ve me 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 系统最低平稳跟踪角速度 （速度或转速）：是系统输出轴平稳追随输入 轴作匀速运动时，系统输出轴不出现明显的步进现象所能达到的最低速度。 系统最大跟踪角速度 （速度或转速）：是系统输出轴平稳追随输入轴， 且不超过系统速度误差的前提下，系统所能达到的最高速度。 最大跟踪角加速度 （加速度）：是系统输出轴跟随输入轴，在不超过系 统最大跟综误差的前提下，系统所能达到的最大角加速度。 2.伺服系统动态性能要求： 系统应是渐进稳定的，并因具有一定的稳定裕量；在典型信号输入下， 系统的时域响应特性要满足规定的要求；系统的频域响应特性，通常用波 德图表示。 第三章 机电一体化系统驱动技术和执行装臵 3.伺服系统设计的主要内容和步骤： 系统总体方案的初步制定；系统的稳态设计；建立系统的动态数学模 型；系统的动态设计；系统的仿真试验。 4.机电伺服传动系统动力学计算的基本公式