检测技术及控制课件5.ppt

第五章 伺服系统 5.1 概述 5.2 伺服系统的执行元件及控制 5.3 伺服系统设计 5.1 概述 一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求 伺服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。 伺服系统是机电一体化系统及产品中的重要组成部分。 5.2 伺服系统的执行元件及控制 一、执行元件类型及特点 二、伺服电机及其控制 三、步进电机及其控制 四、数控步进液压马达及其控制 设输入信号为Ud ,输出为电机转角 则： (1) 工作原理: 励磁绕组WF接到电压为的交流电网上，控制绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，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为转差率 。 把控制电压的相位改变180度,则可以改变伺服电机的旋转方向。 如图所示系统中，由m个移动部件和n个转动部件组成。Mi、Vi和Fi分别为移动部件的质量(kg)、运动速度(m／s)和所承受的负载力(N)；Jj、nj和Tj分别为转动部件的转动惯量(kg﹒m2)、转速(r／min或rad／s)和所承受负载力矩(Nm)。 (1) 系统等效转动惯量 的计算 系统运动部件动能的总和为 设等效到执行元件输出轴上的总动能为 根据动能不变的原则，有 ，系统等效转动惯量为 式中 为执行元件输出轴的转速(rad／s) 2. 执行元件功率的匹配 (1)．系统执行元件的转矩匹配 设机床工作台的伺服进给运动轴所采用电机的额定转速 (r/min)是所需最大转速，其额定转矩 (Nm)应大于所需要的最大转矩，即应大于等效到电机输出轴上的负载转矩 与克服惯性负载所需要的转矩 ( 为电机加减速时的角加速度，rad/s2)之和。 即电机轴上的总负载力矩为 考虑机械传动效率，则 (2) 系统执行元件的功率匹配 上述可知，在计算等效负载力矩和等效负载惯量时，需要知道电机的某些参数。在选择电机时，常先进行预选，然后再进行必要的验算。预选电机的估算功率P可由下式确定 式中 —电机的最高角速度(rad/s)； —电机的最高转速(r/min)； —考虑电机的功率富裕系数，一般取 ＝1.2～2，对于小功率伺服系统可达2.5。 如计算出的值较小，可采用同步齿形带或一级齿轮传动，否则应采用多级齿轮传动。选择齿轮传动级数时，一方面应使齿轮总转动惯量与电动机轴上主动齿轮的转动惯量的比值较小，另一方面还要避免因级数过多而使结构复杂。传动级数一般可按下图来选择。 齿轮传动级数确定之后，为了紧凑传动结构以及提高传动精度和动态特性，通常是根据重量最轻或等效转动惯量最小或输出轴转角误差最小的原则进行各级传动比的分配。一般可按下图来分配各级传动比，且应使各级传动比按传动顺序逐级增加。 4. 信号检测、转换及放大和电源等装置的选择与设计 执行元件与传动系统确定之后，要考虑信号检测、转换和放大装置以及校正补偿装置的选择与设计的问题，同时还要考虑相邻环节的连接、信号的有效传递、输入与输出的阻抗匹配等，以保证各个环节在各种条件下协调工作，系统整体上达到设计指标。 概括起来，主要考虑以下几个方面的问题： 1.检测传感装置的精度、灵敏度、反应时间等性能参数要合适，这是保证系统整体精度的前提条件； 2.信号转换接口电路尽量选用商品化的产品，要有足够的输入／输出通道，与传感器输出阻抗和放大器的输入阻抗要匹配； 3. 放大器应具有足够的放大倍数和线性范围，其特性应稳定可靠； 4.功率输出级的技术参数要满足执行元件的要求； 5.电源的设计，一是要考虑到放大器各放大级的不同需要，二是要考虑到动力电源稳定性能和抗干扰性能。 对数幅频特性纵坐标以值表示，其定义 对数相频特性曲线的纵坐标是相角的度数， 取不同得ω，求得L(ω),θ(ω),做出的图即为BODE图。 2. 稳定性判据与稳定裕量 对数频率稳定性判据是用开环频率特性曲线来判断系统闭环的稳定性，这在实际工程中是很有实用价值的。 (1) 对数频率稳