控制系统设计13年5月16日ppt课件.ppt

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1、控制系统设计,第三章 随动系统的设计,中国科技大学 魏衡华制,2,随动系统是比较典型的反馈控制系统。其基本特点是输出复现输入的变化，又称之为伺服系统。这种控制系统应用极为广泛。 按其所控制的物理量来区分有位置（角度、位移） 伺服系统，力伺服系统等。 随动系统是最基本的控制系统，很多复杂的调节系统的执行子系统就是伺服系统。例如，船舶航向控制系统以随动舵为执行子系统；船舶减摇装置以转鳍随动系统为其执行子系统。作为独立系统，随动系统应用于火炮方位角、高低角控制，直升机灯光助降稳定伺服系统，雷达天线跟踪系统，太阳定向仪系统以及水下机器人运动伺服系统，机械手伺服系统等等。,3.1 系统的稳态设计,3,本

2、章介绍随动系统的设计，包括系统的稳态计算，动态综合，以及提高系统性能所应采取的措施。 其中的许多设计原则和方法也适用于其他控制系统。例如，执行元件、测量元件选择的原则，放大器的设计原则，降低参数变化对系统品质的影响，解决精度、快速性与稳定性的矛盾等等都适用于一般控制系统设计。,3.1 系统的稳态设计,4,控制系统设计中的稳态计算包括对控制对象的运动与动力学分析，负载分析，执行电动机及传动装置的确定，测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。 稳态计算的目的是确定系统的基本不变部分的结构。稳态计算的结果确定了系统的控制能力。而动态设计计算则在此基础上使系统达到要求的动态性能，包括满足动态误差和稳

3、定性及快速性的要求。 一般设计者对动态分析与设计比较重视，而不善于做好稳态计算，这是由于动态计算可以更直接运用控制理论。而稳态计算运用基础知识面更宽，同时还需要有一定的实践经验。正因如此，需要我们重视稳态计算。稳态计算不当或有失误，到动态计算和系统调试时暴露出问题将会使系统设计出现大的反复，在经济上和时间上造成浪费，甚至有时设计者为某项设计初期不尽人意的失误而到生产试验阶段又没有机会使之完善而抱憾终生。,3.1 系统的稳态设计,3.1 系统的稳态设计,一、设计概述 系统的设计包括稳态设计和动态设计，纸面上的设计计算和计算机仿真，都只是为工程设计制订方案，用以指导工程实践 （包括加工制造、安装、

4、调试等等）。这对工程实践过程中少走弯路、减少盲目性是很重要的。 速度控制系统和位置控制系统的共同点是：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。,以速度控制系统为例，通常对它的技术要求有；,速度调节的可逆性要求（即只要求单向调速，还是要求可逆调速）、平滑性要求（即要求有级调通还是无级调速）、连续性要求（即要求调速是连续的还是容许有间歇的）。系统输出轴的最大转速nmax(r/min)或最大输出角速度Wmax(rad/s) 或最大速度Vmax(m/s)；最低平稳转速nmin(r/min)或最小角

5、速度Wmin(rad/s)或最小速度Vmin(m/s)。有时用调速范围D作为技术指标。,(3-1),3.1 系统的稳态设计,一、设计概述,阶跃输入信号作用下系统输出速度的响应特性。在具有振荡的响应特性时，对最大超调量s和响应时间 ts（以偏差在5或2范围计算）有要求。,系统输出轴上负载力矩变化时对速度控制精度的影响，通常用静差率d 或转速降n（或W 或V ）作为技术指标。n 是指控制信号一定的条件下，系统理想空载转速n 0与满载时的转速n之差静差率是指控制信号一定的条件下，n0与n的百分比,(3-3),(3-2),3.1 系统的稳态设计,一、设计概述,负载扰动（通常用阶跃扰动或脉冲扰动形式）作

6、用下系统的响应特性。以上第项的转速降n和静差率d 是指稳态特性，这是指的是动态响应特性，通常取最大转速降nmax（或Wmax或Vmax）与响应时间 tsf 来衡量。,3.1 系统的稳态设计,一、设计概述,对系统工作制的要求，是长期连续运行制、间歇运行制、还是短时运行制。对系统可靠性（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（包括环境温度、湿度、振动、抗冲击、防水、防化、防辐射、电源条件的限制等等）、经济性（如生产成本、标准化程度等等）、结构型式（包括体积、质量、安装特点等）等多方面的要求。对速度控制系统的精度，要求很不一致，在多数情况下，对系统输出速度达到某一准确值，常常依靠调

7、节控制信号来满足。,位置控制系统有定位控制和跟踪控制（即随动），它们对精度都有明确的要求，现以随动系统为例，除以上第项不适用外，第项是系统等速跟踪时，负载扰动下系统最大的误差角emf 和过渡过程时间tsf作为技术指标，其余几项要求基本上是一致的。此外还有以下几条比较常见的技术要求。,3.1 系统的稳态设计,一、设计概述,系统静误差 es。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。,系统跟踪状态下的误差。通常有匀速跟踪状态下的误差 ev，是系统输出轴跟随输入轴等

8、速运动时，两轴之间存在的瞬时误差角，常简称为速度误差；正弦误差，即输出轴跟随输入轴作正弦运动时，两轴之间瞬时误差的最大值emax。 此外，也有用相对精度指标的，如速度品质系数Kv和加速度品质系数Ka，有以下表达式,(3-4),(3-5),3.1 系统的稳态设计,一、设计概述,式中W 为系统等速跟踪运动的角速度；ev为此时对应的速度误差角；e 为系统等速跟踪时的角加速度；ea为此时对应的加速度误差角。,考察系统动态品质，除采用第 、第项指标外，也有对系统的频率响应特性提出指标要求，如振荡指标M、频带宽度wb 和相角贮量g 等。,3.1 系统的稳态设计,一、设计概述,在进行随动系统设计时，首先要了

9、解被控对象的特点和对系统的具体要求，经过调查研究制订出系统的线路方案。它通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元、部件的种类，各部分联接的方式，系统的控制方式，所需能源形式，校正补偿装置打算如何引入以及信号转换的方式等等。紧接着要进行定量的分析计算，先进行稳态设计，它包括系统输出运动参数能否达到技术要求、执行电机的功率与过载能力的验算，各主要元、部件的选择与线路设计，要考虑好信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施。并为后面动态设计的校正补偿装置的引入留有余地。,通过稳态设计，系统的主回路各部分特性、参数已初步确定、便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计作好准备。动态

10、设计主要是综合校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。,3.1 系统的稳态设计,一、设计概述,以上都是理论设计计算、完成的仅仅是一个设计方案，而且这种工程设计计算总是近似的，只能作为工程实践的一个参照。系统的实际线路和参数往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并不等于以上设计计算是多余的，一个好的设计计算方案，对指导工程实践是很有作用的，可以减少盲目性，有利于加快样机的调试和线路参数的确定。,无论是位置控制系统还是速度控制系统，都是带动被控对象作机械运动，被控对象就是系统输出端的机械负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。它们

11、组合成系统的主要机械运动部分，这部分的动力学特性对整个系统的性能关系极大。 被控对象（以下简称负载）运动形式有直线运动和旋转运动两种，具体负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解成几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量的设计计算便于进行。,1.几种典型负载实际系统的负载情况是很复杂的，划分成典型负载，是为了便于定量计算，因此划分本身就存在有近似，只要这种近似程度工程上容许，现将几种常见的典型负载表述如下：,3.1 系统的稳态设计,二、负载的分析计算,干摩擦负载：直线运动用干摩擦力Fc(N)， 旋转运动用干摩擦力矩Mc(Nm)表示,式中，V 和W 分别表示负载线速度和负载角速度

12、，对具体系统负载而言，干摩擦力Fc（或力矩Mc）的大小可能是变化的，但只要它的变化量较小，可近似看成Fc（或力矩Mc）为常值，其符号由运动方向（即V或W的符号）决定。,1几种典型负载,二、负载的分析计算,粘性摩擦负载：用Fb ( N )或Mb ( Nm )表示,其中 粘性摩擦系数b1(Ns/m)，b2(Nms)均为常系数，即粘性摩擦力Fb与负载运动速度V成正比，粘性摩擦力矩Mb与负载角速度Wz成线性关系。惯性负载：直线运动时以负载质量m (kg)和惯性力Fm来表征； 转动时以负载转动惯量J( kgm2 )和惯性转矩MJ来表征，,式中a (m/s2 ) 为负载线加速度；e (rad/s2) 为负

13、载角加速度。,1几种典型负载,二、负载的分析计算,位能负载：直线运动时用重力W(N)表示， 转动时用不平衡力矩Mw(Nm )表示。 在简单情况下W或Mw为常值，且方向不变。,弹性负载：直线运动时，弹力F k与线位移 l 成正比； 转动时，弹性力矩Mk与角位移 j 成正比。,式中 弹性系数 K1(N/n)、K2(Nm/rad ) 均为常值。,1几种典型负载,二、负载的分析计算,对具体系统而言，其负载特性可用以上典型负载来组合，但并不一定上述典型负载都包含在内。最为普遍的是干摩擦负载和惯性负载。在设计系统时，必须对被控对象及其运动作具体的分析，才能决定由哪几种典型负载来组合、有时需要多方进行实测，

14、才能获得具体的数值。,风阻负载：通常简化成风阻力Ff 与负载线速度的平方V2成正比； 风阻力矩Mf 从与负载速度的平方W 2成正比,式中 风阻系数f1(Ns2/m2)，f2(Nms2) 均为常值。,1几种典型负载,二、负载的分析计算,2负载的折算,在讨论负载折算之前，先看看执行元件直接带动负载的情形，图3-1(a)表示直线电机的转子与负载直接相连，电机转子的质量为md，负载的质量为mz ，它们运动时有干摩擦力Fc和粘性摩擦力Fb=bV，其它因素可忽略时，电机带动负载一起运动时所承受的总力F为,式中 V、a为它们运动线速度和加速度。,电机,负载,电机,负载,（a）,（b）,图3-1 执行元件负载

15、传递形式示意图,二、负载的分析计算,2负载的折算,图3-1(b)表示执行电机轴直接与负载轴相连，即所谓单轴传动。设电机转子的转动惯量为Jd，负载的转动惯量为Jz，负载干摩擦力矩为Mc，其余因素可忽略不计时，电机轴上承受的总力矩M为,式中e 为负载转动的角加速度。,电机,负载,电机,负载,（a）,（b）,图3-1 执行元件负载传递形式示意图,二、负载的分析计算,具有齿轮减速装置的传动如图3-1(c)所示，因执行电机的转速高而转矩小，而负载需要的转速低、转矩较大、图中表示出三级齿轮减速，齿轮齿数分别为Z11、Z12、Z2l、Z22、Z31、Z32，故三级减速速比分别为,总速比ii1 i 2 i3

16、。当执行电机以W d等速旋转时，轴1、轴2和负载轴的角速度分别为W l、W 2、W z ，且满足以下关系式,电机,负载,Z11,Z22,Z31,Z12,Z21,Z32,1,2,（c）,图3-1 执行元件负载 传递形式示意图,2负载的折算,二、负载的分析计算,电机,负载,Z11,Z22,Z31,Z12,Z21,Z32,1,2,（c）,图3-1 执行元件负载 传递形式示意图,3,2负载的折算,如果忽略减速器的损耗，根据能量守恒原理，电机输出功率MdWd（Md为电机输出力矩）应等于负载消耗的功率MzWz（Mz为负载总力矩），即,考虑减速器有损耗，传动效率h1（h 应为每级齿轮传动效率h1、 h2、h

17、3 的乘积），则应改写成,将(3-13)式代入上式，可得,二、负载的分析计算,(3-15)式就是负载转矩的折算公式，即负载转矩Mz被传动效率 h 和传动比（即减速比） i 除，即得到折算到电机轴上的等效负载转矩。这里传动效率 h 已将减速器的摩擦考虑在内。各种负载力矩均可如此折算到电机轴上，这就把多轴传动问题简化成单轴传动。由(3-13)式可知：电机轴角速度W d 等于负载角速度乘减速比 i，它们之间的转角和角加速度也应用相同的关系,式中jd、e d 分别为电机轴转角和角加速度；j z、e z分别为负载轴的转角和角加速度。,2负载的折算,二、负载的分析计算,以上式中等号右边的参数是对应于负载轴

18、的，等号左边的为折算到电机轴上的等效参数。,将(3-7)、(3-8)、(3-9)、(3-10)式与(3-13)、(3-16)、(3-17)式，相对应地代入式(3-14b)，不难得出以下折算关系,图3-1(d)表示执行电机带动一辘轮转动，用绳索将负载提升或下放。这就是将转动转变为直线运动的一种形式，负载是位能负载，其重为W=mg （m为质量， g为重力加速度），电机转子转动惯量为Jd、辘轮转动惯量为 Jp、辘轮的直径为2R。电机和辘轮以W 角速度运动时，负载的线速度V=RW由于W 重力方向不变，因此提升负载和下放负载电机轴承受的力矩不同、忽略摩擦力矩，电机轴上只有W 引起的不平衡力矩 WR 和惯

19、性力矩。提升负载时电机轴上总负载力矩为,辘轮,负载,电机,W,（d）,图3-1 执行元件负载传递形式示意图,2负载的折算,二、负载的分析计算,执行元件与被控对象之间传动的形式有多种多样，但都可用上述原理进行负载折算，将复杂的传动问题简化成单轴传动来处理。,辘轮,负载,电机,W,（c）,图3-1 执行元件负载 传递形式示意图,下放负载时电机轴上的总负载力矩是,式中e 1、e 2、分别为提升和下放时电机轴的角加速度。如果电机轴与辘轮轴之间还存在有减速比 i ，传动效率为 h ，则以上两式中的参数需相应变成：,提升负载时电机轴上总负载力矩为,2负载的折算,二、负载的分析计算,例3-1龙门刨床工作台的

20、控制系统，如图3-2(a)所示，执行电机带动工作台作往复运动，工作台运动速度V 呈周期变化，可近似用图3-2(b)曲线表示。V 0段为工作段，对应电机正转，V 0为返回段，对应电机反转。工作段含起动段（图中0 t1部分）、切削加工段 （图中t1t2）和制动段 （t2t3）；回程也有起动段 （t3t4）、等速段 （t4t5）和制动段 （t5t6）。计算负载可按这样一个周期进行。,电机,齿条,工作台,工件,刨刀,（a）,t1,t2,t3,t4,t6,t5,O,t,（b）,O,t,（c）,Mc,O,（d）,t,Mp,O,O,t,t,（e）,（f）,MJ,图3-2 龙门刨工作台运动负荷图,3负载的综合

21、计算,M,二、负载的分析计算,龙门刨工作台运动部分负载特性参数是，执行电机转子的转动惯量 Jd，减速齿轮副的速比 i ，与齿条相啮合的齿轮节圆半径 R ，总传动效率 h ，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。,电机,齿条,工作台,工件,刨刀,（a）,t1,t2,t3,t4,t6,t5,O,t,（b）,O,t,（c）,Mc,O,（d）,t,Mp,O,O,t,t,（e）,（f）,MJ,图3-2 龙门刨工作台运动负荷图,首先把负载折算到电机轴上，干摩擦和切削力分别折算的结果是,M,3负载的综合计算,二、负载的分析计算,电机轴上的总惯性转矩是,

22、根据图3-2(b)和以上三式，可分别画出Mc、M p和MJ 的变化曲线，见图3-2(c)、(d)、(e)。 将它们叠加起来，即得电机轴上总负载力矩M，见图3-2(f)。由M曲线不难看出：正向起动和切削加工段负载力矩较大，而制动段、回程段负载力矩较小。,式中 角加速度e 对应图3-2(b)中的起动和制动段。,3负载的综合计算,二、负载的分析计算,t1,t2,t3,t4,t6,t5,O,t,（b）,O,t,（c）,Mc,O,（d）,t,Mp,O,O,t,t,（e）,（f）,MJ,图3-2 龙门刨工作台运动负荷图,M,每段的负载总力矩分别用M1M6表示、每段转换时刻用t1 t6 表示。不难找到最大负

23、载力矩和它的持续时间。考虑实际加工过程往复次数很多，需要检验执行电机的发热与温升。,3负载的综合计算,二、负载的分析计算,t1,t2,t3,t4,t6,t5,O,t,（b）,O,t,（c）,Mc,O,（d）,t,Mp,O,O,t,t,（e）,（f）,MJ,图3-2 龙门刨工作台运动负荷图,M,为此，要计算一周期内的转距的均方根值Mdx,为此，要计算一周期内的转距的均方根值Mdx,3负载的综合计算,式中电机在起动、制动过程中低转速时散热条件较差，故取加权系数，a 1、一般可取a = 0.75；若起动段和制动段在一个周期内所占比例较大，则可取a = 0.5。 这种周期运动的对象有许多，如高层建筑的

24、升降电梯，它频繁地在楼层之间时升、时降，也具有起动段、制动段、匀速段，但周期不象龙门刨那样有规律、每次载重量也不均衡、但也可按其运行高峰期的统计规律。得到一类似图3-2(b)的曲线，作为选择执行电机的依据之一。,二、负载的分析计算,例3-2 雷达天线自动跟踪系统和火炮瞄准随动系统，有着大体类似的瞄准传动规律，无论是天线还是炮身，都至少有方位角和高低角两套瞄准随动系统。现以飞行目标（或海面上的航行目标）作匀速水平直线运动为例，分析方位角瞄准跟踪运动时系统的负载特点。,3负载的综合计算,(2-4),图2-3 跟踪等高飞行目标的角度关系,请看图2-3，目标以速度V匀速、等高、作水平直线运动，射击火炮

25、所在的点为O，目标速度为V，高度为Z0，目标距火炮的水平最小距离为X0。图中示出方位角为jb，,二、负载的分析计算,3负载的综合计算,图2-3 跟踪等高飞行目标的角度关系,航路捷径X0与航行速度V 均为常数时，令其V/X0 = a，代入上式得,(3-24),(3-25),系统跟踪目标，所得方位角角速度W b、角加速度e b分别为,(2-6),(2-7),二、负载的分析计算,以at为自变量按(3-25)和(3-24)式作Wb和eb曲线，如图3-3(b)所示。由此图看出：在跟踪某一具体目标时，Wb方向不变，因此方位跟踪系统所承受的干摩擦力矩Mc亦不反号。如果系统的转动惯量J是常量，则惯性转矩MJ的

26、形状与eb一样(MJ=Jeb)，雷达天线还需要考虑风负荷Mf ；火炮在进行瞄准跟踪射击时，要考虑炮弹发射所产生的冲击负荷Ms ，它们的合成负载转矩特性分别如图3-3 (c)、(d) 所示。,（b）,（c）,（d）,O,O,O,t,t,at,W b,e b,Mf+Ms,M,图3-3 方位角瞄准跟踪运动规律及其系统负载的特征,3负载的综合计算,二、负载的分析计算,(3-24),(3-25),（b）,（c）,（d）,O,O,O,t,t,at,W b,e b,Ms,M,图3-3 方位角瞄准跟踪运动规律及其系统负载的特征,3负载的综合计算,不少伺服系统的工作没有一定规律，特别是随动系统，在进行设计计算时

27、常选取运行最恶劣的情况，求最大负载力矩Mmax及其持续作用时间 t 。在无固定运动规律的情况下，为检验系统长期运行时执行元件的发热与温升，工程上有采用等效正弦运动的办法。,二、负载的分析计算,以随动系统为例，设系统作正弦摆动，摆动角为,3负载的综合计算,角速度和角加速度分别为,令系统最大跟踪角速度Wm和最大跟踪角加速度em （通常是设计要求规定的）分别为,二、负载的分析计算,由此可按等效正弦运动规律结合具体对象的负载性质，可求出正弦运动的均方根等效力矩 Mdx 来。,这样可得等效正弦运动的振幅j m和角频率w i为,3负载的综合计算,二、负载的分析计算,例3-3 某随动系统的最大跟踪角速度为W

28、m，最大跟踪角加速度为em，电机转子转动惯量为 Jd、传动速比为 i、传动效率为h 、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 。 等效正弦运动的周期,3负载的综合计算,Mc 折算到电机轴上为 Mc/ih 等，折算到电机轴上的总惯量为 ，折算到电机轴上的等效转矩,负载的计算必须针对具体对象具体地对待，不存在千篇一律的计算公式，系统的设计者必须要了解系统的服务对象。,二、负载的分析计算,38,三、执行电动机及传动装置的确定,伺服系统是由若干元、部件组成的，有不少元件有现成的系列化的产品可供选用。为降低整个系统的成本，缩短研制周期，应该尽可能地采取选用现成产品的办法

29、。以伺服系统执行元件来看，可供选择的产品类型很多。就电动机来说有：它激直流电动机、串激直流电动机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电机、同步电动机、步进电机、音圈电机等等；液压元件有液压马达、液压动力缸、液压步进马达等等，都可用作伺服系统的执行元件。,39,因此，执行电动机输出的转矩、转速和功率应能满足负载运动的需要，其控制方式及特性应保证所需的调速范围和转矩变化范围。 故选择执行电动机应包含确定电机的类型，额定输入输出参数（如额定电压Ue、额定电流Ie、额定功率Pe、额定转速ne等），确定它的控制方式，确定电机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分配，以及估算传动装置的转动惯量

30、和传动效率。,三、执行电动机及传动装置的确定,在选择确定执行电动机以前，已经完成了被控对象的运动规律和动力学分析。已经明确了负载的最大角速度，角加速度，等效力矩以及系统的运行工况、环境条件等，所要选择的执行电机是将电信号转变成机械运动的关键性元件，它应能（或通过机械传动装置）带动被控对象按所需的规律运动。,电机所有绝缘材料还分A、E、B、F、H五级，它们允许的最高温度分别是105、120、130、155、180，从而电机的过载能力也不相同。选用别种电机，也有类似的多方面的差别。系统设计者应根据技术条件的要求，多方面综合考虑，作出合理地选择。,结构型式上有立式、卧式、封闭式、防护式等区别；电机轴

31、有单独伸和双轴伸；工作体制有短时工作式、间歇工作式、长时工作式的不同；,三、执行电动机及传动装置的确定,设计系统方案时，必须将执行元件选用哪一种先定下来，例如选用它激直流电动机，还有低速力矩电机和一般高速电机的区别，电枢额定电压的等级还有：12V、24v、27V、48V、ll0V、220V、380V、等多种；,41,可作控制系统执行元件的电机种类很多，常见的有直流他激电动机、直流串激电动机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电机（或称滑差离合器）、力矩电机和步进电机等。它们的特点分述如下：,(1)直流他激电动机： 按控制方式分电枢控制和磁场控制两大类。电枢控制方式易获得较平直的机械特性(见图

32、6-1)，有较宽的调速范围。执行元件功率从几百瓦至几十千瓦的各类系统中，均可找到其应用实例。,图6-l 直流它励电动机电枢电压控制时的机械特性,U1U2U3U4U5,U1U2U3U4U5,M,n,0,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,42,电枢电压为常值时，磁场控制还有不同情况。功率在几百瓦以上的电机，具有弱磁升速持性。见图6-2a。实际上，这种调速只能上调，调速范围一般小于2（专门生产的调激磁的电机除外）,n,n,j1,j1,j2,je,je,M,M,Me,j2,(b) jej1j2,(a) jej1j2,(1)直流他激电动机： 直流他激电动机的磁场控制方式，又分电枢电压保

33、持不变和电枢电流保持不变两种。,图6-2 直流它励电动机电枢电压保持不变磁场控制时的机械特性,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,43,图6-2 直流它励电动机电枢电压保持不变磁场控制时的机械特性,n,n,j1,j1,j2,je,je,M,M,Mc,j2,(b) jej1j2,(a) jej1j2,(1)直流他激电动机： 直流他激电动机的磁场控制，电枢电压保持不变磁场控制。,电机功率在几十瓦以内，且负载力矩比Mc较大，见图6-2b中负载特性处于机械特性汇交点的右边，可以实现弱磁降速，激磁电流Ij近似与转速成正比，可用于可逆连续调速场合。它的控制功率小（与同功率电机电枢控制相比）

34、，但调速范围和调节特性的线性度均远不如电枢控制。,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,44,电枢电流保持不变的磁场控制，也只能用于几瓦至十几瓦的小功率电机，它具有图6-3所示的机械持性，只有加较深的速度负反馈系统才可获得稳定的转速。在只要输出力矩（转速可以为零）的场合它比较适用。,图6-3 直流它激电动机电枢电流不变控制磁场时的机械持性,n,M,0,Ij1,Ij2,I j3,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,45,(2)直流串激电动机：它的激磁绕组和电枢绕组串联，激磁电流Ij等于电枢电流Id，故电磁转矩比例于Id，它启动转矩比较大，机械特性如图6-4所示。它不

35、能空载运行。当负载特性如图6-4中所示斜线时，可获得近似线性的调节持性，但调速范围仍不及直流他激电动机电枢控制。它适用于需要大牵引力的场合。,图6-4 直流串激电动机的机械持性,M,U1,U2,Mc,n,0,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,46,两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统中被广泛应用。控制方式分幅值控制和相位控制，前者易于实现因而应用广泛。后者控制线路复杂且比较少见。,图6-5 两相异步电动机幅值控制机械持性,U4U3U2U1,U4U3U2U1,U1,U3U2U1,U2,U3,n,n,M,M,(b),(a),三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电

36、动机的类型,(3)两相异步电动机：,图6-5a为两相异步电机幅值控制时的机械特性。图6-5a是单相电源供电；,图6-5b是两相电源供电的机械特性。两相异步电动机具有较宽的调速范围，本身摩擦力矩小，比较灵敏。具有杯型转子的两相异步机转动惯量很小，因而快速响应特性好，常见于仪表随动系统中。,47,变频调速能获得比较平直的机械特性，调速范围比较宽但控制线路复杂。过去在工业中用得比较普遍的是利用可控硅实现变压调速和串级调速，串级调速只适用于线绕式转子的异步电动机。变压调速的机械特性如图6-6a所示,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻

37、，价格便宜、维护简单。在有市电的地方直接用三相交流电源比用直流电源方便。,(4) 三相异步电动机：,三相异步电机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、串级调速、脉冲调速等。,串级调速的机械特性如图6-6b所示。,它们均在单向调速时采用，低速性能较差且调速范围不宽。,图3-6 三相异步电机变电压调速和串级调速的机械特性,（a）,（b）,48,(5)滑差电机（亦称滑差离合器)其主动部分由原动机带动作单向等速运转，用直流控制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。它的机械特性如图6-7所示，特性较软，调速范围不大，低速性能较差，但控制线路简单。

38、,(6)步进电机：按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。其中反应式结构简单，用得较为普遍。目前工业上多用于小功率场合，步进电机特别适于增量控制，在机床进刀系统广泛采用。,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,图3-7 滑差电机的机械特性,49,图3-8 力矩电机的机械特性,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,(7)力矩电机 力矩电机分直流和交流两种。它在原理上与他激直流电机和两相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适于低转速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此它可以直接与控制对象相联而不需减速装置。,Mld,Mfd,M,W,W0,50,进行控

39、制系统稳态设计时除了确定电机的种类外，还要确定电机的具体型号、规格。同一种电机有长期运行、短期运行的差别，在封装方式上有开启式、防滴式、防爆式；安装形式有卧式、立式，绝缘等级方面分为A、E、B、F、H五级，允许的最高温度分别对应105、120、130、155和180，与之相应的电机过载能力也不同，此外还有单轴伸，双轴伸；电压等级如12V、24V、27V、48V、110V、220V、380V等等。总之，设计者应根据系统的技术要求，环境条件、经济性等多方面因素综合考虑确定。,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,51,与电机并行的可供选择的拖动元件还有液压泵马达系统、阀控马达系统和气

40、动马达尤其是泵马达系统的阀控马达液压拖动系统。 阀控马达液压拖动系统与同功率的电机调速系统相比具有体积小，重量轻，调速范围宽，低速性能好，用改变流量的方法可获得平稳的低速运行，泵、阀与不同排量的马达匹配可以实现变速。 由于液体的不可压缩性，液压系统的时间常数小，反应灵敏，在船用中、大功率控制系统中广泛采用。,下面分别就单独传动和多轴传动的执行电动机的选择为例，介绍伺服系统执行元件选择的方法。,三、执行电动机及传动装置的确定,1执行电动机的类型,被控对象与电机直接相联，要求电机的转速和转矩，和被控对象的需要相适应，一般高速电机只有在某些速度控制系统中能这样使用，位置控制系统一般速度较低，只有低速

41、力矩电机和液压动力缸才能直接与被控对象相联。例如车床主轴转速需要速度控制时，执行电机可选用一般高速电机，电机的额定转速 ne(r/nin)基本上应是车床主轴需要的最大转速，电机的额定力矩 Me(Nm) 应等于或略大于转轴的摩擦力矩加上正常的切削阻力矩。当然所选电机种类不同，它的过载能力也不一样，需要根据工作出现的最大负载状况，检验执行元件是否满足要求。三相异步电机不能超过最大转矩Mm运行，因此它的过载系数l=Mm/Me1.62.2；起重用的三相异步电机的 l 2.22.8。,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,两相异步电机鼠笼转子式的 l1.82；空心杯转子式的l 1.11.

42、4；直流电动机（指一般高速电机 ）的 l 2.53，绝缘材料等级高的（如用F级或H级 ）电机 l 45甚至更高，（均指过载力矩持续作用3s以内），若过载时间不大于1s，直流电机的过载系数还可高一些，有的l10。,低速力矩电机也有直流和交流两种，目前直流力矩电机用得较为普通，其特点是可以堵转运行。现以雷达天线方位角自动跟踪系统为例，选直流力矩电机作它的执行元件时，应当考虑以下情况。首先是被控对象雷达天线的技术要求：该雷达应能跟踪目标的最大航速为V (m/s)，目标以V 作匀速直线水平航行时，该雷达应能跟踪的最小航路捷径为Xmin (m)、天线方位轴的摩擦力矩为Mc ( N m)、天线绕方位轴的转

43、动惯量为 Jz ( kgm2 )。,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,当，Wb=Wbmax 时，角加速度eb = 0，此时电机轴上只承受摩擦负载 Mc （有风时应加上风阻力矩 Mf ）。 (3-25)式两边对jb求导，并令,不难求得：在jb=300时，角加速度达到最大ebmax,从例3-2分析的结果：(3-24)与(3-25)式，不难看出最大方位角速度,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,(3-24),(3-25),将jb=300。代入(3-24)式，可解得出现 ebmax 时的角速度,此时电机轴上承受的总负载力矩为,式中Jd 为待选力矩电机的转动惯量。以

44、国产LY系列直流力矩电机来看，产品目录上列出的电机参数有：最大空载转速n0( r/min )、峰值堵转力矩 Mf d (Nm )、连续堵转力矩 MLd( Nm)、峰值堵转时的电枢电压 Um 和连续堵转时的电枢电压 U，还有一些其它参数，可参看主要参考文献。,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,(3-24),将 n0 换算成W 0= n0(rad/s)，就可依据W 0和Mfd ，画一条对应峰值堵转（即电枢电压为Um）的机械特性 。根据连续堵转力矩MLd相对应的空载角速度W L0=W 0U/Um ，可画出对应电压U（即对应连续堵转的）的机械特性，可见图3-4中两条平行的机械特性，

45、它们分别代表力矩电机的两种不同条件。,Um,A,M,WL0,W0,W,MA,MLd,0,U,Mfd,图3-4 通过力矩电机机械特性来 检验其承受负载的能力,根据(3-34)式计算出的W 值，在图3-4上画一水平直线，它可能与力矩电机的两条或一条特性有交点，,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,检验交点横坐标所对应的电磁力矩M，是否大于或等于(3-35) 式计算出的M。,考虑雷达天线跟踪目标时，不可能长时间出现 (3-35)式求出的最大力矩M，故只需所选力矩电机电压为Um时的机械特性（即对应峰值堵转的特性）与W 水平线交点（如图3-4中A点）所对应的电磁力矩MAM，即表示所选力

46、矩电机能带动天线完成上述跟踪要求。否则需重选电机，再按上述办法进行验证，直至满足要求为止。,Um,A,M,WL0,W0,W,MA,MLd,0,U,Mfd,图3-4 通过力矩电机机械特性来 检验其承受负载的能力,选用直流力矩电机，就是用这两条具有代表性的机械特性，对长时间运行状况，就应用对应连续堵转的那条机械特性，对于短时偶尔出现的状况，则用对应峰值堵转的那条特性。两条特性之间有一个区域，通常所运行的状态处于这个区域内部是容许的，只要注意峰值堵转状态只意味着短时间不大于3s。,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,雷达搜寻目标时，经常要快速调转方向，当天线朝一方向高速转动时突然高

47、速反向运动，力矩电机将有一个反接制动状态。此时电机电枢电流很大，并产生一很大的反接制动力矩。设计时需要检验最大电枢电流和最大制动力矩，不得超过峰值堵转电流Ifd和峰值堵转力矩Mfd，否则电机将被损坏。为此，设计时常要采取必要的限制电枢电流的技术措施。检验方法是先求力矩电机的电势系数K e根据天线快速搜索的最大角速度Wmax，可得电机电枢产生的反电势KeWmax(V)，叠加上快速反转所加的电枢最大电压Umax(V)，可按下式检验,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,根据天线快速搜索的最大角速度Wmax，可得电机电枢产生的反电势KeWmax(V)，叠加上快速反转所加的电枢最大电压

48、Umax(V)，可按下式检验其中 R(W)为电枢回路的总电阻，Km(Nm/A)为电机转矩系数，其数值与Ke相等( 但两者的量纲不同 )。若不满足(3-37a)或(3-37b)，就要采取有效保护措施。通常是在系统中加电机电枢电流的截止负反馈(见附3.1)来限制电机电枢电流的峰值，也就限制了电机的最大电磁转矩。,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,雷达天线自动跟踪系统常有闭环系统频带宽度wb（闭环幅频特性的截止角频率）的技术要求，考虑到一般系统的相角贮量g 300 600，wb 与系统开环幅频特性的穿越频率wc近似有wb (1.22)wc 。系统开环幅频特性是C(jw)/E(jw

49、)，且有E(jwc)=C(jwc)。设计要求中已给出最大跟踪误差em，取E(jwc)= em（通常是系统线性范围），则系统输出C(t) = emsinwct，输出的最大角加速度为,这就是使系统闭环带宽达到wb、跟踪误差不超过em时，系统应当具有的角加速度。1. 444的取值方法是：相角贮量 g 大则取较小的值，g 小的则取较大的值；其它情况可以在以上范围中间取值。,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,当系统输出轴角加速度达到emwc2 时，电机轴上承受的总负载力矩应满足下式,有时系统的设计技术要求中，系统在零初始条件下，对阶跃输入信号响应的过渡过程时间ts有限制，由此可近似估

50、计需要的开环幅频特性的穿越频率wc,由(3-40)式所确定的wc 再代入(3-39)式进行检验。,三、执行电动机及传动装置的确定,2单轴传动的电机选择,总之，只有经过以上稳态、短时过载和动态几方面的检验均满足时，所选力矩电机可认为能满足雷达天线自动跟踪系统的要求，其中任一项不能满足，都需要考虑重选电机。当然也不能仅凭以上几种来决定，还需要看所选电机能否适应雷达天线系统的工作环境条件，例如环境温度-40+50、还有振动、冲击，以及防潮、防腐蚀、防辐射、等多方面的要求。此外，直流力矩电机的电刷整流换向状况应在一定的等级范围内，即将它对无线电的干扰电平，局限在容许的界限内。以上虽以雷达天线系统为例讨