现代伺服系统设计ch03n.

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1、CHp3 伺服系统稳态设计 1 概述2 伺服系统典型负载分析和计算3 伺服系统控制方案选择4 伺服电机选择5 伺服检测装置的选择6 放大装置选择 一 伺服系统实例 雷达 自动跟踪 火炮随动系统 3 1概述 机器人 动作控制 数控机床 定位和加工轨迹 二 伺服系统的基本要求及特征 1 伺服系统的基本要求 1 稳定型好 2 精度高 3 动态响应快 4 抗扰动能力强 2 伺服系统的基本特征 1 必须具备高精度的传感器 能准确地给出输出量的电信号 2 功率放大器以及控制系统都必须是可逆的 3 足够大的调速范围及足够强的低速带载性能力 4 快速的响应能力和较强的抗干扰能力 三 电动伺服系统的组成 由伺服

2、电机 功率驱动器 控制器和传感器4大部分组成除了位置传感器外 可能还需要电压 电流和速度传感器 SSI编码器反馈 SSI编码器反馈 控制指令 PMAC 驱动器 驱动器 交流伺服电机 直驱电机 减速机 四 电动伺服系统控制方法伺服系统的控制方法主要分为开环 闭环和半闭环三种控制方法 它实际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式 开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制 而没有测量实际位置输出的反馈通道 由步进电动机直接驱动滚珠丝杆副的结构就是开环控制系统的实例 它的结构简单 调整维护方便 工作可靠 成本低 但每一指令脉冲的进给误差 传动链的误差间隙 导轨滑动时摩擦力的不均

3、衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去 使得定位精度较低 此外 它的速度低 低速平稳性差 效率也较低 如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变化 则系统变成了半闭环系统 这样 与开环系统相比 半闭环系统 提高了精度 但它检测的反馈信号来自于系统中某一个非最终输出的环节 使得系统无法对这一环节到最终控制目标之间的误差自动进行补偿 在前向控制通道的基础上在加上直接检测最终输出的反馈控制通道就形成了闭环控制的伺服系统 检测元件通常为直线感应同步器和光栅等直线行位检元件 安装在最终的移动目标工作台上 五 伺服系统稳态设计的内容对控制对象运动与动力学分析 负载分析 执行电动机及传动装置的确

4、定 测量元件的选择 放大装置的选择与设计计算 六 伺服系统稳态设计目的确定系统的基本不变部分的结构 稳态设计的结果确定了系统的控制能力 动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能 包括满足动态误差 稳定性及快速性要求 伺服系统稳态设计特点稳态设计运用基础知识面更宽 需要有一定的实践经验 七 工程定量计算的计量单位我国计量管理规定一律采用国际单位制 SI 国内有些产品铭牌数据仍沿用工程单位制 在计算时应统一换算成国际单位制 3 2伺服系统典型负载分析和计算 明确了系统技术指标后 研究被控对象的运动学 动力学特性 根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件 掌握了一般性研究方法后 需对负载作

5、定量分析 根据对象的实际运动规律来建立负载和干扰模型 随动系统通过其控制的动力机构 执行元件为电机或液压马达 来带动工作机构 被控对象 完成预定的运动 被控对象在运动中的动力要求 对控制系统而言即负载特性 负载特性中的受力对控制系统而言 即运动中所受的阻力 动力机构所得到的系统输出特性与负载特性有一个匹配问题 也就是说动力机构的输出能力应大于或等于负载的要求 即负载特性 一 系统典型负载分析 随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机 或液压 气动马达 带动被控对象做机械运动 其控制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大 被控对象能否达到预期的运动状况 完全取决于系统的稳态和动态性能 系统常

6、见的负载类型有 惯性负载 阻尼负载 弹性负载 干扰负载 包括摩擦负载 常值力 重力负载 以及流体动力负载等 其中惯性负载 摩擦负载几乎任一系统均有 1 摩擦负载在任何机械传动系统中 每一对相对运动物体的接触表面之间都存在着摩擦 普通的现象 情况却十分复杂 在工程设计中 多采取实测的办法 或采用手册提供的数据做近似地估算 从接触表面的相对运动形式看 有滑动摩擦与滚动摩擦 在条件相同的情况下 滚动摩擦力比滑动摩擦力小 以接触表面之间的润滑条件来看 有干摩擦 粘性摩擦 或称湿摩擦 和介于两者之间的边界摩擦 俗称半干摩擦 在条件相同情况下 干摩擦最大 粘性摩擦小 半干摩擦力介于两者之间 摩擦力Fc f

7、 N 摩擦系数f与法向压力 接触表面特性 粗糙度 温度 滑动速度 接触时间等均有关 输出轴上承受的摩擦力矩是由系统整个机械传动各部分的摩擦作用综合的结果 以旋转运动为例 静摩擦力矩最大 随着输出角速度 的增加 0 1 时 摩擦力矩又略有增加或保持不变 摩擦负载对系统的工作品质影响很大 动态分析计算时 则将摩擦负载特性近似为线性关系 对随动系统而言 摩擦负载影响系统的控制精度 当要求低速跟踪时 由于摩擦负载在低速区有dMc d 0 系统将出现的低速爬行现象 2 惯性负载物体作变速运动时便有惯性负载产生 当执行元件带动被控对象沿直线作变速运动时 被控对象存在有惯性力FLFL m dv dt 式中m

8、为被控对象质量 v为运动速度 负号表示惯性力FL的方向始终阻止速度变化 当系统所带的被控对象作旋转运动时 被控对象形成的惯性负载转矩为ML JL d dt 式中ML为惯性负载转矩 JL为被控对象绕其转轴的转动惯量 为其角速度 JL m为质点质量 r为绕轴半径 具有简单几何形状的质量均匀分布的物体转动惯量表达式列入34页表3 2中 图形较为复杂的对象可用简单形状组合而成 流体中作变速运动时 除自身的惯性力和惯性力矩以外 还有部分有水引起的附加质量 或附加质量惯量 3 阻尼负载当被控对象在流体中运动时 除了形成一定的附加质量惯量 或附加质量转动惯量 以外 还会产生一个由于流体摩擦 兴波等原因而造成

9、的阻力 或阻力矩 这个力 或力矩 与物体运动的速度 速度的平方甚至更高次方成比例 在相对运动速度不高情况下 可以认为阻尼力 或力矩 与运动速度 或角速度 成比例 Fv b vM 2N Fv为阻尼力 b为阻尼系数 v为对象在流体中的运动速度 M 为阻尼力矩 2N为阻尼力矩系数 或阻尼系数 在分析船在水中运动或者类似舵 鳍等伸出船外的装置在水中转动时 会用到阻尼力 力矩 和附加水质量 或转动惯量 有时在减速箱中为保持良好润滑而注入一些润滑油也会产生阻尼力 力矩 综合以上情况 可以用一个通式来表示负载力矩 即F Fcsig v bv m dv dt M Mcsig 2N J d dt 式中的b和2N

10、根据运动存在的介质 可以是某个常数 在流体中 也可以是零 在空气中 4 其他工作阻力负载除了上述三项由对象自身运动而产生的负载力 力矩 之外 有些运动对象还会受到正常工作要克服的阻力 力矩 例如 切削机床的切削力 力矩 升降机在上升时要克服重力 船舶减摇鳍在转动时要克服由于重心与转轴不一致导致的重力力矩和由于浮力中心和轴线不一致而造成的浮力不平衡力矩 雷达天线在运动时要克服风载阻力矩 负载的受力情况复杂 无论机械力或流体力 不包括非线性力 如果仅考虑直线运动的情况 系统的负载特性可表示为负载惯性力 粘性阻尼力 弹性力 常值干扰力 如果考虑旋转运动的情况 负载特性都可表示为 在系统分析中 干扰力

11、不影响系统动态品质 只造成系统的干扰误差 二 典型系统的综合负载分析和计算实际伺服系统控制被控对象运动过程中 都要克服多种负载的影响 因而需要根据各自的运动规律做具体分析和综合 我们在建立系统动力学方程以及在选择执行元件功率时 需要把对象所受到的负载换算到执行元件输出轴上 减摇鳍的摆动 二 典型系统的综合负载分析和计算 二 典型系统的综合负载分析和计算实际伺服系统控制被控对象运动过程中 都要克服多种负载的影响 因而需要根据各自的运动规律做具体分析和综合 我们在建立系统动力学方程以及在选择执行元件功率时 需要把对象所受到的负载换算到执行元件输出轴上 1 负载的传递和转化一般高速运动的执行元件带动

12、相对低速运动的被控对象都需用减速装置 三级齿轮减速器负载的传递与转化 电机经过三级齿轮减速而带动负载 Z11 Z12 代表各级齿轮齿数 电机至负载的总速比为i 2 负载的综合特性例1 龙门刨床工作台控制系统负载分析与综合设R为与工作台齿条相啮合的齿轮节圆半径 i为电机与该齿轮之间传动链的总速比 为总效率 例2 火炮方位随动系统分析与综合 火炮跟踪等速直线飞行目标的运动规律如下 当系统跟踪目标时 角速度dA dt始终为正值 故摩擦力矩Mc可视为常值 设运动部分转动惯量不变 惯性力矩Mj应与的规律一致 若在跟踪过程中对目标进行射击 则会有冲击力矩Ms作用在执行轴上 系统承受的总的负载力矩t1时刻M

13、 出现的脉冲为迭加了冲击力矩Ms所致 例3减摇鳍转鳍力矩分析与综合船舶减摇鳍在船舷外的空间位置示意图 鳍在与平行迎面来流之间的攻角为 由于鳍上方的水流受挤而流线变密 导致流速增加 鳍下方流速减小 鳍上方的静压小于下方的静压 两者的压差如图中排线箭头形成的包络线 总的合力作用点为P 合力为R R可以分解为升力Y和阻力X 升力Y对船重心形成扶正力矩 合力对轴线O形成一力矩M01 此时如果鳍首向上转动 则M01将阻碍鳍转动 当鳍角做一般性的运动时 流体动力形成的力矩为式中M01为定常流体动力力矩 因为鳍轴不在首部 故呈非平衡状态 M01 Cm1 Cm1是用实验方法获得的与攻角有关系数 M02为非定常

14、力矩 它与攻角角速度和攻角有关 计算Cm2比较复杂 需根据一定的图谱公式 然后再假定鳍角做某种规律的运动 一般假定 sin t 这样才能知道与的对应关系得Cm2 一般 等于1 3 2倍的船的谐摇频率 M03是一项与加速度有关的惯性力矩 它是由鳍自身的转动惯量和附加水质量惯量引起的惯性力矩 式中的J是鳍 鳍轴和做摇摆运动的连动部分总的转动惯量 J是附加水质量转动惯量 Mc是摩擦力矩 由于有防止渗漏的密封装置 摩擦力矩比一般的传动要大 通过实船实验表明 Mc约占总力矩的10 20 M 01是由重力不通过轴线和浮力不通过轴线引起的不平衡力矩 按鳍的几何形状和空间布置可算出 三 随机干扰负载模型控制系

15、统常常遇到非确定的随机干扰负载 需要根据实际情况来建立随机干扰负载模型 干扰负载的谱密度函数 例4雷达天线随动系统的风载模型 考虑随机信息 例如风速 陀螺漂移等 的值是跃变的 每一区段值与以前区段值无关 而且跃变时刻t1 t2 t3 是随机的 先求这类信号的相关函数 相关函数是相距为 时刻的两个函数值的乘积的平均值 当x t 和x t 处在同一区段时x t x t 而当x t 和x t 处于不同区段时 有x t x t 设t和t 在同一区段的概率为Q 则相关函数可表示为R 为信号在 时间间隔内不变的概率 设 是信号在单位时间内的平均变化次数 在 t足够小时 在 t内变化的概率就是 t 而不变化

16、的概率是1 t 将 0 分为成r个 t 第一个 t内不变的概率为 1 t 第一个 t和第二个 t均不变的概率为 1 t 2 在r个 t内均为不变的概率是 1 t r 以 t代替r 并令 t 0 得 信号在 0 内不变的概率 即从上式可以看到 这类谱密度函数的主要参数是均方值和单位时间内变化次数 这两个参数一般可以根据物理过程来近似得到 就雷达天线的风载而言 可以先估算风载力矩均方值 再根据当地风速在单位时间内变化的次数确定 有了这两个参数 就可以确定风载谱密度了 举例说明 设有直径为6m的天线 已知平均风速V0 72km h 阵风最大风速Vm 96km h 0 11 1 s 天线上的风载力矩为 例5斜浪航行时的横摇干扰模型假设 波浪是一维平稳随机过程 也就是其谱密度是单参数谱船舶傍浪航行时波浪对船舶的横摇干扰模型为K 是考虑船的宽度和吃水深度对波浪来说并不是一个点而引起的修正系数 为波倾角 波倾角是波动方程 X t 对坐标X的导数 相当于船所在波面位置处波面和水平面的夹角 S 为海浪波幅谱密度 航向与浪向的夹角 参考方向 相对为0 斜浪航行时 航速会影响船与波浪的遭遇频率 逆斜浪使船与