第五章 伺服系统技术

一、伺服系统基本概念§5.1概述伺服系统也称之为随动系统，是以位移、速度或力、力矩等作为被控量的自动控制系统。1第五章伺服系统技术电气控制装置机械执行装置执行元件传感器电气控制装置部分机械执行装置部分在控制信号传递路线上，以执行元件作为接口在反馈信号传递路线上，以传感器作为接口由两部分组成：图5.1伺服系统组成二、伺服系统基本类型2采用不同的分类方法，可以得到不同类型的伺服系统按控制原理（或方式）不同表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式按被控制量性质不同有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式按驱动方式不同有电气、液压和气压等伺服驱动形式按执行元件不同分为步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式0.1110100P(kW)f(Hz)101001000图5.2伺服系统适用范围3三、伺服系统基本要求精度响应速度调速范围指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示影响伺服系统精度的因素：1、组成元件本身误差传感器的灵敏度和精度伺服放大器的零点漂移和死区误差机械装置反向间隙和传动误差各元器件的非线性因素等2、系统本身结构形式输入指令信号的形式是衡量伺服系统动态性能的重要指标是伺服系统提供的最高速与最低速之比，即：minmaxnnRn应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；Rn要大，并且在该范围内，速度稳定；无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力或力矩；在零速时，伺服系统处于“锁定”状态，即惯性小。4应变能力和过载能力要求：过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏四、电气伺服驱动装置机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置，即伺服电机驱动系统。伺服驱动电机一般是指：步进电机（SteppingMotor）直流伺服电机(DCServoMotor)交流伺服电机(ACServoMotor)5三种电机驱动的特点：1、步进电机转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制构成廉价的开环系统控制系统控制较简单2、DC伺服电机高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制换向器件需维护3、AC伺服电机具有DC伺服电机的全部优点需要磁极位置检测器无接触换向器件，维护方便机电一体化系统对伺服电机的基本要求：1、性能密度大6两方面含义功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）WPPW功率密度指单位重量的输出功率：比功率指功率对时间微分：NNTTdtdTTdtddtdP)(因为，电机转动时的动力学方程为：dtdJTmN因此，比功率为：mNJTdtdP/22、快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；适应启停频繁的工作要求等。1§5.2步进电机伺服驱动一、步进电机工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。以反应式步进电机为例说明工作原理：反应式步进电机利用定子绕组通电励磁，产生反应磁阻转矩实现转动。如图示，定子有三对磁极A-A，B-B，C-C，若转子有40个齿，则转子的齿距角为：940360z定子每相磁极有5个齿，其齿距宽度与转子一样，则相邻两个齿的夹角必定是9°。当A相磁极与转子的齿对齐时，即定子齿与转子齿对齐时，磁导率最大，磁阻最小，就会产生右图所示的B、C相磁极错齿情况：在B相磁极中心线上应是m号齿：33.139120m显然，B相磁极中心线是转子的第13个齿再过3°的地方，即B相磁极的齿与转子齿相差3°同理，C相磁极中心线上应是n号齿：66.269240n即C相磁极中心线是转子的第26个齿再过6°的地方，换而言之，C相磁极的齿与转子齿相差6°依次按A-B-C-，A-B-C…通电流，转子就跟随磁场一步一步转动，若需反向转动，只需改变通电相序A-C-B，A-C-B…。23三相反应式步进电机的三种运行方式：单三拍时：A—B—C,—A—B—C…34013360360Zkm4双三拍时：单双拍（即六拍）时：5.14023360360ZkmAB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,--A—AB—B—BC—C—CA…二、步进电机的种类按转子结构分为三种：反应式(VR，VariableReluctance）永磁式(PM，PermanentMagnet)混合式(HB,Hybrid)按励磁相数分：有三相、四相、五相等步进电机按运转方式分：有旋转式步进电机和直线式步进电机反应式步进电机利用磁阻转矩转动，结构简单，步矩角小，性价比高，应用广泛，但动态性差永磁式步进电机用永久磁钢作为电机的定子或转子，电磁阻尼大，步矩角大，启动频率低，功率小混合式步进电机在永磁和变磁阻原理共同作用下，输出转矩大，步矩角小结构复杂，成本高步进电机型号表示：BF励磁绕组相数或代号反应式(BY永磁式、BYG混合式)步进电机电机外径（mm)三、步进电机的性能参数1、齿距角αz：转子相邻两齿的夹角2、步距角α：步进电机每接受一个脉冲，转子转过一个固定的角度3、最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值ZZ360Zkm360m：定子绕组相数Z：转子的齿数k：通电状态系数K=1单拍或双拍K=2单双拍定子绕组每改变一次通电的方式，称为“一拍”四、步进电机的运行特性1、距角特性：单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系2、启动转矩：相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，反映了电机的承载能力5、最高启动频率fqmax：步进电机由静止状态不失步达到稳速所允许的最高输入脉冲频率（可以是空载下或有负载下）4、最高运行频率fmax：步进电机不失步运行时，输入脉冲的最高频率绕组的电流越大，静转矩越大，一般取TL=（30～50%）Tmax失步丢步：齿距数少于脉冲数越步：齿距数多于脉冲数6、失调角θ：单相定子通电时，该相定子齿与转子齿的中心线不重合所夹角sinmaxTTjqLTT3、矩频特性：步进电机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系高速时，负载能力变差，这是其应用受到限制的原因之一由图看出：动态转矩随脉冲频率的升高而降低原因：定子控制绕组有一定的电感量，回路有电气时间常数，电感电流变化有一个过渡过程，达不到电流稳态值。五、步进电机参数设计1、脉冲当量δ：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移单位为mm/pulseδ=0.001～0.0025精密机床0.005～0.01数控机床0.1～0.15一般机床角脉冲当量δα：就是步距角α(°/pulse)当通过中间传动装置时，角脉冲当量δα为：iM驱动器指令脉冲如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量δ为：Z1Z2ip360设计时，先根据运动精度选定δ，再根据负载确定步进电机的参数α，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。2、最大静转矩Tmax与相数、拍数一般根据TL≤（30～50%）Tmax选择Tmax其中TL为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，若相数、拍数较多，可选0.5，否则选0.3，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。3、最高运行频率与速度关系.根据工作台的最高速度vmax选择步进电机最高运行频率fmaxmaxmaxfv350maxmaxvf由得注意量纲：vmax(m/min)4、转动惯量与加减速性能步进电机的加减速性能与转动惯量所产生的惯性力矩有关惯性力矩：dtdJM转动惯量和角加速度越大，步进电机的启动频率越低，加减速性能越差，越容易失步。通过减小步距角和减小转动惯量改善启动、加减速性能5、电机负载转矩计算作用在步进电机轴的总的负载转矩按下式计算：ipFipFipFJJTTTTTdmFfm2)122)(2(00max6、等效转动惯量的计算其中：Jm是电机轴自身的转动惯量（Kg.m2）Jd是系统折算到电机轴的总的转动惯量（Kg.m2）是电机启动、制动时的角加速度（rad/s2）F作用在工作台的摩擦力（N）FW作用在工作台的外力（N）伺服系统传动链的总效率（取0.7—0.85）丝杠螺母预紧时的传动效率（取0.9）F0丝杠螺母预紧时的力（N）P是丝杠螺距（mm）i是总传动比0基本公式281mdJ圆柱体ldm24其中：Jd的计算对上图所示的的系统，折算到电机轴的转动惯量Jd由几部分组成：•电机轴的转动惯量Jm•齿轮Z1的转动惯量JZ1•齿轮Z2的转动惯量JZ2和丝杠的转动惯量JS折算到电机轴的转动惯量•工作台折算到电机轴的转动惯量对于直线移动的工作台，折算到丝杠轴的转动惯量为：2)(2pMJ丝杠轴折算到电机轴的转动惯量为：22)2(12pJJiJMsz因此，折算到电机轴的等效转动惯量Jd为：22)2(121pJJiJJJMszzmd对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：对于带传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：2)(vMJ2RMJR为齿轮分度圆半径为驱动轴的角速度v为工作台的速度六、步进电机的驱动控制电路步进电机使用脉冲电源工作，其驱动电路方式有多种：单电压驱动（见p55）双电压驱动（见p56）斩波恒流驱动（电流驱动）细分驱动对控制绕组中的电流进行细分，把步距角细分成若干步完成CLK六、步进电机的单片机控制步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机（或计算机）产生，其基本控制作用如下：•控制换相顺序（也称脉冲分配）•控制转向（正反序通电）•控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）§5.3直流伺服电机驱动一、直流伺服电机及其驱动系统直流伺服电机类型电励磁：励磁量容易调整，成本低，效率低永久磁铁：不需励磁功率，效率高，性能好驱动系统组成：直流伺服电机转速或位置反馈装置直流电源及驱动电路接口电路电枢控制原理：控制电枢绕组中的电流大小和方向，就可以控制电机的转速和方向，输出一定的电磁转矩，转速的大小通过转速传感器（编码器）检测并反馈。图1电枢控制原理二、直流伺服电机的特性机械特性调节特性当控制电压恒定时，电机的转速与转矩变化的关系静态特性：当电磁转矩恒定时，电机的转速与控制电压变化的关系图2直流电机的静态特性三、直流伺服电机驱动系统设计动态特性：当在电枢上外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，即：n=f(t)或=f(t)1、直流电机的选择2、设计的要求根据负载的大小，选择小惯量电机或大惯量电机（也称力矩电机）稳态转矩和动态转矩满足要求折算到电机轴的负载总转动惯量小于或等于电机的转动惯量启动、制动、加速、减速稳定运行，低速或重载满足稳态转矩要求nLMTT转子JJLM1、2、满足动态转矩要求四、直流伺服电机的调速fLqTTTT其中：Tq为启动转矩TL为负载转矩为加速转矩Tf为摩擦转矩T加速过程近似线性过程，则加速转矩为：amamtnJtJdtdJT602其中：nm为最高转速m为最高角速度频繁启制动或负载经常变化时，转矩均方根值小于电机额定转矩根据等效发热准则，有：nttTdtTt021其中：Tn为额定转速t为整个工作时间（或周期）Tt为瞬时转矩有三种调速方法：电枢控制调速（即恒转矩调速）：不同的转速时，磁场控制调速（即恒功率调速）：不同的转速时，混合调速（即恒功率调速），如主轴伺服驱动，在额定转速以下为恒转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速..constITL如进给伺服系统如小惯量高速伺服系统.constIP§5.4交流伺服电机驱动一、交流伺服驱动系统组成由伺服电机和伺服驱动器组成伺服电机包括永磁同步电机、鼠笼式异步电机、无刷直流电机伺服驱动器采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系统按照伺服电机类型将交流伺服系统分为两大类：异步型交流伺服系统（IM）同步型交流伺服系统（