伺服系统的稳态设计之.ppt

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 和 选 择 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 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,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（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。,2.1.1 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：,2.1.1 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：=,2.1.1 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,2.1.1 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,2.1.1 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（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。,2.1.2 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：,2.1.2 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。,2.1.2 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,2.1.2 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,2.1.2 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),2.1.2 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,2.1.2 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（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,一、系统方案的制订与稳态设计系统设计师应该熟悉市场上供应的元器件和材料了解新产品资料了解国内加工工艺和检验技术水平追踪新元器件、新工艺和新技术的发展密切关注电力电子学领域的发展动态,2.1.3 伺服系统设计内容与步骤,经过调查研究，在充分掌握上述信息的基础上，结合设计技术要求，制订出系统的结构方案。选定系统各主要元部件的形式确定各部件的接口方式、系统控制方式确定系统的主干线路、辅助线路及电源型式,进行稳态计算执行元件的计算和选择功率放大器的选择和计算敏感元件的确定中间控制电路的确定传动装置设计,检验各部件之间输入、输出的功率匹配以及精度解决信号的有效传递、综合叠加、信号形成与变换，以及级间耦合匹配等问题。!要为引入校正补偿装置留有余地，尽量照顾到改善动态性能及综合校正的方便,二、建立系统的数学模型即推导系统开环或闭环传递函数或建立系统的状态方程它是进行系统动态设计计算的基础推导过程中，需作适当的简化和近似线性化处理必要时需对有关元部件的特性进行实验测试，以获得必要的数据,三、系统动态分析综合研究系统的动态品质决定校正装置的形式和参数以及提高动态品质的措施,四、模拟试验,调 研,稳态设计推导传递函数动态设计,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（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,2.2.1 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.,2.1 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,2.2.2 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,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,2.2.2 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,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,2.2.2 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,考虑减速比i,d=i zd=i zd=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,2.2.2 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,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,2.2.2 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,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,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,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,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-.,2.1 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,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=,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。,2.2.3 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。,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 tC=-m i2 sin itm=m im=m i2 m=m2/m i=m/m,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,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！,