机电系统的驱动与控制.ppt

第四章 机电系统的驱动与控制 4.1 概述 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 4.3 直流伺服电动机的驱动与控制 4.4 交流伺服电动机的驱动与控制 4.5 步进电动机的驱动与控制 4.6 伺服系统设计 4.1 概述 伺服系统：也称为随动系统或自动跟踪系统，是以机械量（位移、速度或力、力矩等）作为被控量，在控制指令作用下驱动执行元件，使机械的运动部件在满足一定的性能指标要求下按照控制指令进行动作的自动控制系统。 4.1 概述 一、伺服控制系统的分类 按被控量：位移、速度、加速度、力伺服系统 按执行元件：电气、液压、气动伺服系统 按控制原理：开环、闭环、半闭环伺服系统 4.1 概述 二、伺服系统的基本性能要求 （1）稳定性好 稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。 伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，它与系统的结构及参数有关，而与外界作用信号的性质及形式无关。 4.1 概述 （3）快速响应性好 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： 1）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，由上升时间来表征； 2）指动态响应过程结束的迅速程度，由调整时间来表征； 响应速度的快慢影响系统的工作效率和加工精度。 4.1 概述 （4）其它要求 调速范围、负载能力、可靠性、体积、成本等方面 伺服系统的稳定性、精度、快速响应性三项基本性能要求是相互关联的。在进行设计时，须首先满足稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。 三、执行元件的种类和选用方法 能量转换装置，它位于电气控制装置和机械执行部件之间。根据能量转换形式的不同：电气元件、液压元件和气压元件。 一、典型载荷的分析与计算 1. 摩擦载荷 （1）分析计算 任何机械传动系统中，两个相互接触且作相对运动或有相对运动趋势的物体的接触面上都存在着摩擦。它是两物体接触面上存在的一种阻止运动的力或力矩，分别称为摩擦力或摩擦力矩。 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 b) 摩擦力矩 摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦转矩。 等效摩擦力矩（功率传递不变） 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 （2）摩擦引起的死区误差 电动机提供给机械系统的驱动力矩将转换为驱动工作台的驱动力。当工作台驱动力小于最大静摩擦力时，系统仍处于静止状态，工作台不移动，此时存在由静摩擦产生的死区误差： 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 （3）摩擦引起的爬行现象 若系统处于低速运动时，电动机虽然作匀速运动，但工作台的运动往往出现明显的速度不均匀－－或走停，或慢快。这种在低速时运动的不平稳现象称为爬行现象。 爬行是一种摩擦自激振动。产生爬行的内因在于动、静摩擦系数差异大，外因主要是运动速度太低、运动件的质量大及传动件的刚度不足等。爬行会破坏运动的均匀性，影响系统的定位精度和稳定性。 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 常用的措施有： 减小动、静摩擦系数之差 提高机械系统刚度 采用“动力润滑” 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 2. 惯性载荷 （1）分析计算 惯性载荷是由于一定质量的物体具有加速度或角加速度而产生的，分别称为惯性力或惯性转矩。 当被控对象沿直线作变速运动时，被控对象形成的惯性负载力FL为： 当被控对象作旋转变速运动时，被控对象形成的惯性力矩TL为： 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 转动惯量的计算 1）均质物体 －－物体形心轴与回转轴重合 －－物体形心轴与回转轴平行 2）形状复杂 可先将其划分为若干均质规则形状的物体，再分别求出其转动惯量，最后相加获得。 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 等效转动惯量（动能守恒） 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 （2）惯量的影响及措施 转动惯量增大，则机械负载增大，使系统响应速度变慢，灵敏度降低，伺服特性变差；机械传动系统固有频率下降，容易产生谐振；使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增加。 为了使系统响应快，在不影响刚度的条件下，应尽量减小系统运动部件的转动惯量。 措施：① 可以通过减小结构尺寸及质量，即采用密度小，强度高的材料，并采用附加减轻孔或空心薄壁结构； ② 合理分配回转部分的质量，使其重心尽量靠近回转轴。 ③ 对于减速传动装置，提高传动比可以减小折算到电动机轴上的转动惯量。 4.2 典型载荷分析与负载的转矩特性 二、负载的等效换算 负载的运动有直线运动、旋转运动等形式，它与执行元件连接有直接连接，也有通过传动装置连接的。执