精密仪器设计基础

第十章机械伺服系统设计伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。10.1概述一、分类1、按反馈划分开环伺服系统精度取决于精密机械系统的精度一、分类闭环伺服系统靠偏差进行控制一、分类半闭环伺服系统一、分类复合控制系统一、分类2、按输入量的特征划分恒值控制系统：输入量是一个恒定值。程序控制系统：输入量的变化规律是已知和确定的，由特定的程序给出。随动系统：输入量的变化规律不确定。3、按驱动电机的类型分：步进电机伺服驱动系统。步进电机将进给指令信号变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，是用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。一、分类直流电机伺服驱动系统。有良好的宽调速性能，输出转矩大、过载能力强。但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器，使结构与体积受限制，现已基本被交流伺服电机取代。一、分类交流电机伺服驱动系统。相对于直流伺服电机，具有结构简单、体积小、惯量小、响应速度快、效率高等特点。它更适应大容量、高速加工的要求。交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统。一、分类二、闭环伺服系统的组成给定元件：产生输入信号，如电位器反馈元件：测量输出信号，如光栅、激光干涉仪比较元件：如电压比较器放大元件执行元件校正元件给定元件比较元件放大元件执行元件被控对象反馈元件校正元件三、设计要求及性能指标1、设计要求稳定性稳定性：指伺服系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。三、设计要求及性能指标精确性：控制精度，以稳态误差来衡量稳态误差：指指令脉冲要求工作台的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台的实际位移量之间的符合程度。快速性：当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。安全性：三、设计要求及性能指标2、性能指标过渡过程和动态性能：控制系统从开始有输入信号起到系统输出量达到稳定之前的响应过程称为过渡过程。过渡过程表现为衰减、发散或等幅振荡过程。动态性能的时域指标：上升时间、调节时间、超调量等动态性能的频域指标：带宽三、设计要求及性能指标稳态过程和稳态性能四、伺服系统设计1、设计要求分析，系统方案设计控制方式的确定当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；当系统精度要求较高或负载较大时，要采用闭环或半闭环控制系统。开环系统设计时，仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。执行元件的选择选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机。传动机构方案的选择传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微型机、电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。2、系统性能分析3、执行元件及传感器的选择根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执行元件及传感器的参数和型号。4、机械系统设计机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在涉及执行机构的导轨时要防止产生“爬行”现象。5、控制系统设计控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电机驱动电路等的详细设计，如果采用计算机数字控制，还应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应注意各环节参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性，并满足精度要求。6、系统测试实验测试试验可在模型试验系统上进行，也可以在试制的样机上进行。通过测试实验，往往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决。7、系统设计定案多次反复得到满意的结果后，将设计方案确定下来。然后整理设计图样及设计说明书等技术文件准备投产。10.2开环伺服系统设计一、步进电机：步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，叫做步距角。特点：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1.工作原理步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。1.工作原理假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住，转子就停留在U相通电的位置上。然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30°。1.工作原理定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。步进电动机绕组按U→V→W→U→V→W→U…依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°1.工作原理对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态。2.通电方式三相单三拍：定子按ABCA顺序通电2.通电方式三相双三拍：ABBCCAAB2.通电方式三相六拍：AABBBCCCAC3.分类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按转子结构分为三种：反应式；永磁式；混合式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4.性能参数齿距角αz：转子相邻两齿的夹角Z：转子的齿数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m：定子绕组相数；k：通电状态系数——单拍或双拍时为1，单双拍时为2.ZZ360Zkm360最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值。绕组的电流越大，静转矩越大，一般取TL=（30-50%）Tmax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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时所成夹角5.运行特性距角特性：单相额定通电时，其静转矩与失调角的关系sinmaxTTj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6.参数设计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（mm/pulse）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：δ=0.001～0.0025精密机床0.005～0.01数控机床0.1～0.15一般机床i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：电机M驱动器指令脉冲ip360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7.驱动方式单电压驱动双电压驱动恒流驱动微步（细分）驱动二、误差分析与校正1.主要误差源步进电机的步距误差减速齿轮箱误差滚珠丝杠、螺母副误差2.误差校正硬件方式：通过补偿电路，判断移动方向，当反向移动时，发出补偿指令软件方式：建立误差仿真数学模型，工作指令+校正指令一、直流电机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。10.3闭环伺服系统设计1.基本原理电磁力定律：载流导体在磁场中，受电磁力作用；（左手定理）电磁感应定律：导体切割磁力线，产生感应电动势；（右手定理）电与磁的相互作用，实现机—电能量的转换2.基本结构定子——产生直流磁场φ；转子——通过转子电流与定子磁场作用产生电磁转矩，直流电机的转子常被称电枢。等效电路+－+－图2-1URRBIBUBI3.机械特性直流电机的基本作用方程转矩方程式：感应电势方程式：电枢电路电压方程式：ICMmnCEeIREUM的方向——按左手定律确定E的方向——按右手定律确定机械特性基本方程电流表达式：力矩表达式ICRCUneeMCCRCUnmee2机械特性曲线当参数U、R及φ均固定不变时，机械特性曲线是一条直线nn0ΔnMNM改变电枢回路电阻RRa+Ri1Ra+Ri2Ri2Ri1RaMn0MNΔn改变电枢端电压UUNU1U2U1n01UNnMn00U2n02改变磁通φφNφ1φ3nMφ2φNφ1φ2n0n01n020二、脉宽调速系统1、工作原理直流电机的电枢回路供电采用频率宽度可调，幅值恒定的矩形脉冲。通过调节脉冲宽度来改变电枢电压的平均值，使电机转速得到调节。调节器PWM功率控制器速度反馈器直流电机fnUgnU_直流电机的传递函数)1(/1)1)(1(/1)()(sTsTKsTsTKsUsneMeeMed速度反馈环节的传递函数开环传递函数1)()(stsnsUnfn)1)(1()(sTsTsKsWe闭环系统框图常用的调节器形式有PI、PD和PID设计各参数，使闭环系统的幅频特性和相频特性满足要求3、校正