《伺服傳動(dòng)系統(tǒng)》PPT課件

4.1 概述,第四章 伺服系統(tǒng)技術(shù),一、伺服系統(tǒng)基本概念 伺服傳動(dòng)技術(shù)（伺服控制，伺服系統(tǒng)）是指在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對給定指令 的準(zhǔn)確跟蹤，即實(shí)現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動(dòng)，連續(xù)，精確的復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。,二、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn),控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作,執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等,檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路,三、伺服系統(tǒng)基本類型,采用不同的分類方法，可以得到不同類型的伺服系統(tǒng),按控制原理（或方式）不同,表示的方式有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式,按被控制量性質(zhì)不同,有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式,按驅(qū)動(dòng)方式不同,有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動(dòng)形式,按執(zhí)行元件不同,分為步進(jìn)電機(jī)伺服、直流電機(jī)伺服和交流電機(jī)伺服形式,四、伺服系統(tǒng)基本要求,精度高,響應(yīng)速度快,指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示,影響伺服系統(tǒng)精度的因素：,1、組成元件本身誤差,是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo),應(yīng)變能力指能承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速的沖擊；,Rn要大，并且在該范圍內(nèi)，速度穩(wěn)定； 無論高速低速下，輸出力或力矩穩(wěn)定，低速驅(qū)動(dòng)時(shí)，能輸出額定的力 或力矩； 在零速時(shí)，伺服系統(tǒng)處于 “鎖定” 狀態(tài)，即慣性小。,應(yīng)變能力和過載能力大,要求：,過載能力指在低速大轉(zhuǎn)矩時(shí)，能承受較長時(shí)間的過載而不致?lián)p壞,調(diào)速范圍大,是伺服系統(tǒng)提供的最高速與最低速之比，即：,體積小，重量輕，可靠性高，成本低,六、電力電子變流技術(shù),1、開關(guān)器件類型,晶閘管（SCR）,電力晶體管（GTR）,場效應(yīng)晶體管（MOSFET）,絕緣柵雙極性晶體管IGBT）,（1）晶閘管開關(guān)特性,（1）若門極G不加電壓，無論A加正向還是反響電壓，均不導(dǎo)通，具有正反阻斷能力。 （2）陽極A和門極G同時(shí)加正向電壓才能導(dǎo)通，導(dǎo)通必須具備的兩個(gè)條件 （3）晶閘管導(dǎo)通后，門極G就失去了控制作用，要斷開必須減小陽極電流（小于維持電流）,（2）功率晶體管（GTR）,有截止，有源放大和飽和三種狀態(tài)，一般作為開關(guān)使用，開通時(shí)要驅(qū)動(dòng)，正常導(dǎo)通時(shí)要線飽和，關(guān)斷時(shí)要反偏，目前驅(qū)動(dòng)電路已集成化。 特點(diǎn)：飽和壓降低，載流密度大，驅(qū)動(dòng)電流較大。 （3）場效應(yīng)晶體管（MOSFET） 特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)功率大，開關(guān)速度快，導(dǎo)通壓降大，載流密度小。,工作狀態(tài),（4）IGBT 是一種新型復(fù)合功率開關(guān)器件。集成了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。 驅(qū)動(dòng)用集成芯片，如EXB840，IR2130等。,2、開關(guān)器件特性,目前，各類電力電子器件所達(dá)到的功能水平如下： 普通晶閘管：12kV、1kA；4kV、3kA。 可關(guān)斷晶閘管：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。 電力晶體管：單管1kV、200A；模塊1.2kV、800A；1.8kV、100A。 場效應(yīng)管：1kV、38A。 絕緣柵極雙極型晶體管：1.2kV、400A；1.8kV、100A。,3、變流技術(shù),（1）整流把交流電變?yōu)楣潭ǖ模ɑ蚩烧{(diào)的）直流電 （2）逆變把固定直流電變成固定的（或可調(diào)的）交流電。 （3）斬波把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電 （4）交流調(diào)壓把固定的交流電壓變成可調(diào)的交流電壓。,（1）.整流器,整流過程是將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號的過程，可通過二極管或開關(guān)器件組成的橋式電路來實(shí)現(xiàn)。,單相交流可控硅橋式整流電路 (a）整流電路；(b）波形圖,若將開關(guān)器件V換成二極管，分析電路情況？,（2）. 斬波器,二極管是續(xù)流二極管，當(dāng)S斷開時(shí)，由于電樞電感的存在，電動(dòng)機(jī)的電樞電流可通過它形成續(xù)流回路。,（3）.逆變器,它有兩個(gè)導(dǎo)電臂，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)可控元件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個(gè)電容的連結(jié)點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)。,（4）.交流調(diào)壓器,一、執(zhí)行元件的分類及其特點(diǎn) 執(zhí)行元件是能量變換元件，其目的是控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)要求執(zhí)行元件具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，輸出動(dòng)力大，便于控制，可靠性高和安裝維護(hù)簡便等特點(diǎn)。根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型, 4.2 執(zhí)行元件,二、電氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置,機(jī)電一體化系統(tǒng)中較多的采用電 氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置，即伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。,伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是指：,步進(jìn)電機(jī)（Stepping Motor）,直流伺服電機(jī)(DC Servo Motor),交流伺服電機(jī)(AC Servo Motor),三種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：,1、步進(jìn)電機(jī),轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制,構(gòu)成廉價(jià)的開環(huán)系統(tǒng),控制系統(tǒng)控制較簡單,2、DC伺服電機(jī),高響應(yīng)、高功率密度,可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字控制,換向器件需維護(hù),3、AC伺服電機(jī),具有DC伺服電機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn),需要磁極位置檢測器,無接觸換向器件，維護(hù)方便, 4.3 步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng),一、步進(jìn)電機(jī)工作原理,步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)?角位移的電氣執(zhí)行元件，電機(jī)繞組每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度（即步距角），低頻率運(yùn)行時(shí)，明顯可見電機(jī)軸是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。,二、三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式：,單三拍時(shí)： ABC,ABC,雙三拍時(shí)：,ABBCCA,ABBCCA,單雙拍（即六拍）時(shí)：,AABBBCCCA,-AABBBCCCA ,3、開環(huán)控制原理圖,4、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制,（1）控制換向順序,（2）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向,（3）控制步進(jìn)電機(jī)的速度,結(jié)論：脈沖的數(shù)量控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角 脈沖的頻率控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 脈沖的通入次序控制電機(jī)的方向,5、脈沖分配,（1）通過軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配,有兩種方式：軟件法和硬件法。,軟件法是完全用軟件的方式按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的IO口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。以三相步進(jìn)電機(jī)工作在六拍方式為例。,三相六拍工作方式通電正序?yàn)椋?AABBBCCCA,共6個(gè)通電狀態(tài)，若P1口輸出控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用6個(gè)控制字來對應(yīng)這6個(gè)通電狀態(tài)。,在程序中,只要依次將這6個(gè)控制字送到Pl口步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。每送一個(gè)控制字,就完成一拍。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。程序就是根據(jù)這個(gè)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 用R0作為狀態(tài)計(jì)數(shù)器，來指示第幾拍。按正轉(zhuǎn)時(shí)加1，反轉(zhuǎn)時(shí)減1的操作規(guī)律，則正轉(zhuǎn)程序?yàn)椋?CW：INC R0 CJNE R0,#06H,ZZ MOV R0,#00H ZZ:MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,A+DPTR,MOV P1,A RET ABC:DB 0FEH,0FCH,0FDH,0F9H, DB 0FBH,0FAH,反轉(zhuǎn)程序,MOV P1,A RET,CCW：DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#05H FZ:MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,A+DPTR,軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時(shí)間，可能使單片機(jī)無法同時(shí)進(jìn)行其他工作(如監(jiān)測等),（2）通過硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配,采用小規(guī)模集成電路搭接一個(gè)硬件分配器，靈活性大，不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間 采用專門的環(huán)形分配器,6. 步進(jìn)電機(jī)的速度控制,通過單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖來控制。,軟件脈沖分配方式：采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔,硬件脈沖分配方式：控制步進(jìn)脈沖的頻率,第一種是通過軟件延時(shí)的方法。 使CPU長時(shí)間等待 占用大量機(jī)時(shí)。 第二種是通過定時(shí)器中斷的方法,使用定時(shí)器T0，工作方式l。設(shè)用于改變速度的定時(shí)常數(shù)存放在內(nèi)部RAM 30H(低位)和31H(高8位)中，則定時(shí)器中斷服務(wù)子程序?yàn)?AA： CPL P1.4 PUSH ACC PUSH PSW CLR C CLR TR0 MOV A,TL0 ADD A,30H MOV TL0,A MOV A,TH0 ADDC A,31H MOV TH0,A,SETB TR0 POP TR0 POP ACC RETI,調(diào)速指令是通過輸入界面出外界輸入的，可通過鍵盤程序或AD轉(zhuǎn)換程序接收，通過這些程序?qū)⑼饨缃o定的速度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的定時(shí)常數(shù)，并存人30H和31H這樣就可以在定時(shí)器中斷后改變步進(jìn)脈沖的頻率，達(dá)到調(diào)速的目的。,7、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路,單電壓驅(qū)動(dòng),雙電壓驅(qū)動(dòng),斬波恒流驅(qū)動(dòng)（電流驅(qū)動(dòng)）,二、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速原理,直流電動(dòng)機(jī),U電樞電壓，I電樞電流，R電路總電阻，每極磁通量，K電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù),由上式可知，直流電動(dòng)機(jī)的控制方式如下： 調(diào)壓調(diào)速（改變電樞電壓，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速） 調(diào)磁調(diào)速（改變勵(lì)磁電流，恒功率調(diào)速） 改變電樞回路的電阻調(diào)速,三、 交流異步電機(jī)調(diào)速,轉(zhuǎn)速公式：,調(diào)速方法： 改變f變頻調(diào)速（無級調(diào)速） 改變P變極調(diào)速（有級調(diào)速） 改變S該方法會(huì)降低交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，一般不用,380,U,V,W, 4. 4 伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、系統(tǒng)方案確定,典型的開環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控x、y工作臺、機(jī)器人的關(guān)節(jié)移動(dòng)等。 其結(jié)構(gòu)原理如圖所示：,方案確定實(shí)質(zhì)是對上述各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇設(shè)計(jì),執(zhí)行元件的選擇,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇,開環(huán)伺服系統(tǒng)中可以采用步進(jìn) 電機(jī)、液壓伺服閥控制的液壓馬達(dá)和液壓缸、氣壓伺服閥控制的氣壓馬達(dá)和氣壓缸等作為執(zhí)行元件，其中步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最廣泛，當(dāng)負(fù)載能力不夠時(shí)，考慮后者。 總之，要考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、體積、成本等因素。,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)機(jī)械接口，用于對運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行變換和傳遞，伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件以輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：,執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇,步進(jìn)電機(jī)與絲杠螺母間的運(yùn)動(dòng)傳遞可能有多種形式：,采用同步齒型帶傳動(dòng)絲杠：中心距較大,通過減速器傳動(dòng)絲杠：減速器作用是配湊脈沖當(dāng)量、轉(zhuǎn)矩放大、慣量匹配等,通過聯(lián)軸器直接相連：結(jié)構(gòu)簡單，可獲得高速，對電機(jī)負(fù)載能力要求較高,執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是進(jìn)行實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中一般含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要是指導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇，即,導(dǎo)軌的選擇：,控制系統(tǒng)方案的選擇,包括微機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路、接口電路等的選擇和設(shè)計(jì),二、開環(huán)伺服機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算,確定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī),根據(jù)系統(tǒng)精度要求確定，對于開環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取,初選步進(jìn)電機(jī)指：選擇步進(jìn)電機(jī)的類型和步矩角,注：脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖時(shí)，工作臺走過的位移。,單位為 mm/pulse,角脈沖當(dāng)量：就是步距角(/pulse),當(dāng)通過中間傳動(dòng)裝置時(shí)，角脈沖當(dāng)量為：,如下圖，步進(jìn)電機(jī)通過絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺運(yùn)動(dòng)時(shí)，其脈沖當(dāng)量為：,設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，并選定絲杠的導(dǎo)程p,計(jì)算出傳動(dòng)比i后，最后設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪的各參數(shù)等。,確定減速傳動(dòng)比,傳動(dòng)比公式：,計(jì)算出的傳動(dòng)比較小時(shí)，采用一級齒輪傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng),傳動(dòng)比較大時(shí)，采用多級齒輪傳動(dòng),注：1、齒輪傳動(dòng)級數(shù)增加時(shí)，使齒隙和靜摩擦增加，傳動(dòng)效率降低，故傳動(dòng)級數(shù)一般不超過3級。,2、傳動(dòng)級數(shù)的分配原則： 傳動(dòng)比逐級增加（或前小后大原則），使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。,3、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算,作用在步進(jìn)電機(jī)軸的總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：,步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定：,4、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算,其中：,Jm是電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）,Jd是系統(tǒng)折算到電機(jī)軸的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）,FW作用在工作臺的外力（N）,F0絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的力（N）,P是絲杠螺距（mm）,i是總傳動(dòng)比,是電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的角加速度（rad/s2）,F 作用在工作臺的摩擦力（N）,伺服系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的總效率（取0.70.85）,絲杠螺母預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率（取0.9）,基本公式,圓柱體,其中：,Jd的計(jì)算,對上圖所示的的系統(tǒng)，折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd由幾部分組成：,電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm,齒輪Z1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1,齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ2和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,工作臺折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,對于直線移動(dòng)的工作臺，折算到絲杠軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：,絲杠軸折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：,因此，折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd為：,對于齒輪齒條傳動(dòng)的工作臺，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：,R為齒輪分度圓半徑,對于帶傳動(dòng)的工作臺，折算到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：,為驅(qū)動(dòng)軸的角速度,v為工作臺的速度,5、最高運(yùn)行頻率,.根據(jù)工作臺的最高速度vmax選擇步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率fmax,由,得,注意量綱：,vmax (m/min),作業(yè)：,某開環(huán)數(shù)控車床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，已知：工作臺質(zhì)量m=300kg,導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)u=0.2，最大軸向載荷Fmax=500kgf；絲杠的導(dǎo)程p=6mm,公稱直徑d=45mm,摩擦系數(shù) ,絲杠總長度L=2.44m，兩端最大支承長度l=1.8m；選定四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其步距角 ，最大靜轉(zhuǎn)矩 ，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 要求系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 ，最大進(jìn)給速度 ，試對系統(tǒng)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)驗(yàn)算： 1、計(jì)算減速傳動(dòng)比i，并分配傳動(dòng)比； 2、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算，并驗(yàn)算慣量匹配（計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，選定齒輪模數(shù)m=2mm,齒寬b=20mm, ）； 3、計(jì)算電機(jī)的最高運(yùn)行頻率,返回,