《伺服传动技术》PPT课件.ppt
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1、第四章 伺服传动技术,主要内容,现代伺服系统设计基础电液伺服系统设计的关键问题雷达光电跟踪液压系统设计实例分析直驱式电液伺服系统设计实例分析,现代伺服系统设计基础,伺服系统又称随动系统,是自动控制系统的一类,它的输出变量通常是机械或位置的运动,它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪,即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。,伺服系统分类,从系统组成元件的性质来看,有电气伺服系统、液压伺服系统和电气液压伺服系统、电气气动伺服系统等;从系统输出量的物理性质来看,有速度或加速
2、度伺服系统和位置伺服系统等;从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看,有模拟式伺服系统和数字式伺服系统;从系统结构特点来看,有开环伺服系统、闭环伺服系统。,伺服系统分类,开环控制结构简单,要综合考虑带载能力、调速范围、运行精度、可靠性、可控性等因素。用于负载不大,精度要求不高的场合。,伺服系统分类,半闭环控制有反馈环节,系统结构相对简单,控制易于实现,精度高。,伺服系统分类,闭环控制将全部环节都封闭在反馈环内,控制精度最高。但系统结构复杂,设计难度大,成本高,应用广泛。,伺服系统分类,模拟伺服系统在模拟伺服系统中,全部信号都是连续的模拟量,在此系统中,输入信号、反馈信号、偏差信号及其放大、校
3、正都是连续的模拟量,伺服系统分类,数字伺服系统在数字伺服系统中,全部信号或部分信号是离散参量。数字检测装置有很高的分辨能力,所以数字伺服系统可以得到很高的绝对精度。数字伺服系统的输入信号是很强的脉冲电压,受模拟量的噪声和零漂的影响很小。所以当要求较高的绝对精度,而不是重复精度时,常采用数字伺服系统。,伺服系统组成,例:数控机床伺服系统由图可以看出,它与一般的反馈控制系统一样,也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。,伺服系统的基本要求,对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。稳定性是指作用在系统上的扰动消失后,系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下,系统能够
4、达到新的稳定运行状态的能力。精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义,一是指动态响应过程中,输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度,二是指动态响应过程结束的迅速程度。高可靠性、高效率,伺服系统的执行元件,执行元件分类,伺服系统的执行元件,伺服电动机的分类,伺服电动机的基本特性,具有较硬的机械特性和良好的调节特性机械特性是指在一定的电枢电压条件下,转速和转矩的关系调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系,Ua1 Ua2,伺服电动机的基本特性,具有宽广而平滑的调速范围伺服系统要完成
5、多种不同的复杂的动作,需要伺服电动机在控制指令的作用下,转速能够在很广的范围内调节。具有快速响应特性所谓快速响应特性是指伺服电动机从获得控制指令到按指令要求完成动作的时间要短。响应时间越短,说明伺服系统的灵敏性越高。,直流伺服电机及控制,电压、转速和转矩的关系随着控制电压增加,机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动,但斜率不变。机械特性是线性的,线性度越高,系统的动态误差越小。M一定时,控制电压Ua高时,转速n也高,二者成正比关系。脉宽调制(PWM)直流调速驱动,交流流伺服电机及控制,其旋转速度为式中,f为交流电源频率(Hz);p为磁极对数;n0为电动机旋转磁场转速(r/min);s为转
6、差率。,交流流伺服电机及控制,电压、转矩和转速的关系由右图可知,在一定负载转矩下,控制电压越高,转差率越小,电动机的转速就越高,不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为90,利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法,称为幅值控制方法。,步进电机及控制,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。因为它的运动形式是步进式的,故称为步进电动机。其特点是没有积累误差,广泛应用于各种开环控制。,步进电机及控制,转矩角对每一相绕组通电的操作称为一拍,则A、B、C三相绕组轮流通电需要三拍,从上面分析可知,电机转子转动一个齿距需要三拍操作。实际上,电机每一拍都转一个角度,也称
7、前进了一步,这个转过的角度叫做步距角式中:Z为转子上的齿数;m为步进电动机运行的拍数。,脉冲的数量控制电机的转角;脉冲的频率控制电机的转速;脉冲的通入次序控制电机的方向。,伺服系统的典型负载,系统典型负载分析随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机(或液压、气动马达)带动被控对象做机械运动。被控对象能否达到预期的运动状况,完全取决于系统的稳态和动态性能。系统常见的负载类型有:摩擦负载、惯性负载、阻尼负载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等,前两项几乎任一系统均有。,系统典型负载分析,摩擦负载在任何机械传动系统中,每一对相对运动物体的接触表面之间都存在着摩擦。从接触表面的相对运动形式看,有滑
8、动摩擦与滚动摩擦。接触表面之间的润滑条件来看,有干摩擦、粘性摩擦(或称湿摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦)。在条件相同情况下,干摩擦最大,粘性摩擦小,半干摩擦力介于两者之间。,系统典型负载分析,惯性负载物体作变速运动时便有惯性负载产生。当执行元件带动被控对象沿直线作变速运动时,被控对象存在有惯性力FL FL=-m(dv/dt)当系统所带的被控对象作旋转运动时,被控对象形成的惯性负载转矩为 ML=-JLd/dt,系统典型负载分析,阻尼负载当被控对象在流体中运动时,除了形成一定的附加质量惯量(或附加质量转动惯量)以外,还会产生一个由于流体摩擦、激波等原因而造成的阻力(或阻力矩),这个力
9、(或力矩)与物体运动的速度、速度的平方甚至更高次方成比例。在相对运动速度不高情况下,可以认为阻尼力(或力矩)与运动速度(或角速度)成比例。Fv=-bv M=-2N,系统典型负载分析,其他工作阻力负载:除了上述三项由对象自身运动而产生的负载力(力矩)之外。有些运动对象还会受到正常工作要克服的阻力(力矩),例如:切削机床的切削力(力矩);升降机在上升时要克服重力;船舶摇鳍在转动时要克服由于重心与转轴不一致导致的重力力矩和由于浮力中心和轴线不一致而造成的浮力不平衡力矩;雷达天线在运动时要克服风载阻力矩。,电液伺服系统设计的关键问题,电液伺服系统工作原理液压伺服控制的基本原理是:“液体动力的反馈控制”
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