伺服系统的稳态设计.ppt

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1、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

2、 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

3、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

4、 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

5、.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

6、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

7、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

8、、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

9、 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

10、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

11、(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 ts

12、f,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

13、 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）

14、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

15、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

16、 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

17、 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

18、 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

19、,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

20、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

21、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

22、 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

23、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

24、 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 zd=i zd=i z,i=i1 i2

25、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

26、 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

27、 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

28、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

29、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

30、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,

31、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。,

32、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 im=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

33、 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

34、 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

35、 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

36、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

37、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

38、 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

39、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

40、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

41、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

42、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

43、：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:起重型:鼠笼转子:1.8-2 空心杯转子: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

44、,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

45、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

46、 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

47、，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=,对研后，i0.98

48、,椎齿轮付传动效率：i=,蜗轮蜗杆传动效率：,Z=1：i,Z=3或4：i,Z=2:i=,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

49、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、

50、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