机电装备伺服系统设计

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1、1 第五章机电装备伺服系统设计 5 1概述世界上第一个伺服系统 林肯实验室的前身 于1944年研制成功 火炮自动跟踪目标伺服系统 采用直流电动机驱动方式 二战期间 由于军事上的需求 电液伺服系统被广泛地应用于武器 舰船 航空 航天等军事工业部门以及高精度机床控制 60的伺服系统中 液压控制有优于直流伺服电动机控制的趋向 进入70 由于电力电子技术的发展 如GTO GTR P MOST IGBTPWM控制改善了电机的控制性能 对电液伺服提出了挑战 2 70年代以来 大惯量宽调速直流伺服电机 在机床进给伺服中广泛应用 现代控制理论适应于 多变量时变系统 为计算机在伺服系统中的应用奠定了理论基础 用

2、计算机完成系统的校正 改变伺服系统的增益 带宽 完成系统管理 系统向智能化发展 采用SPWM控制交流永磁式伺服电机 得到高的位置精度 是其它控制所不能比拟的 微电子突飞猛进 新元件 新器件 新理论 新技术使伺服系统向智能化方向发展 3 仿形铣床随动系统示意图 4 仿形铣床方框图 数控进给伺服系统 5 伺服系统定义 伺服系统 servosystem 又称随动系统或自动跟踪系统 是指以机械参数 位移 速度 力和力矩等 作为被控量的一种自动控制系统 能自动地 迅速地 连续地 精确地响应输入指令的变化规律 应用 1 数控机床刀具与工件之间的相对运动轨迹的控制 2 电弧炼钢炉中电极的位置控制 3 跟踪雷

3、达天线俯仰角 方位角的自动控制等 上述尽管对象的机械结构 传动形式不同 对伺服系统的要求也有差别 但共同的一点是带动对象按需要的规律作机械运动 6 5 1 1基本要求 1 稳定性系统在其工作范围内是稳定 可靠的 2 精度比较经济地达到给定精度的要求 3 快速响应性系统响应输入指令的速度要快 4 可承受频繁起动 制动和反转 振动和噪声小 可靠性高 寿命长 5 灵敏度系统对参数变化的灵敏度要小 即系统性能不因参数变化而受到太大的影响 6 抗干扰性系统应具有良好的抵抗外部负载干扰和高频噪声的能力等 7 方便性调整 维护方便 7 5 1 2伺服系统分类 按其控制原理分 开环 全闭环和半闭环控制三种形式

4、 按其被控量的性质分 速度 位置 同步 扭矩控制等形式 按其驱动方式分 电气伺服 气压伺服 液压伺服等形式 按执行元件分 步进伺服 直流伺服 交流伺服等形式 开环伺服系统大多采用步进电机 闭环和半闭环伺服系统大多采用直流伺服电机和交流伺服电机 8 对不同的机电一体化设备 伺服系统驱动部件时所需功率的差异很大 在确定驱动方式时 一般从输出功率与响应频率两个方面综合选择 液压驱动伺服系统输出功率大 响应频率高 气压驱动伺服系统响应频率低但输出功率大 伺服电机驱动的伺服系统 对不同的伺服电机具有不同的要求 因此具有所选择的输出功率范围大 响应频率宽的特点 在机电一体化产品中 常采用伺服电机驱动的伺服

5、系统 9 1 气压伺服2 步进电机和两相交流感应电机3 微小驱动力矩电机和螺线管传动4 移动线圈直线电机5 AC电机 无刷DC电机 6 DC电机7 液压伺服 伺服系统适用范围 10 5 2典型伺服系统 5 2 1步进电动机控制的开环系统步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系 驱动电源由环形脉冲分配器 功率放大器组成 如图所示 只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确控制步进电动机的转角和速度 11 步进电机驱动的开环伺服系统 12 1 主要静态特性 1 静态距角特征定义 静态时 步进电机某相绕组通电时 转子处于不动状态 电磁转矩T与失调角 之间的关系 即T f 2 最大静态转矩Tma

6、x即静态矩角特性的电磁转矩最大值 3 最大启动转矩Tq即静态矩角特性的交点电磁转矩 13 4 启动频率 定义 步进电机在带载状态下 能够不失步启动的最高频率fst 一般空载启动频率比带载高 设计中启动转矩Tq TL 14 5 惯频特性 一般说来 步进电动机负载转动惯量增加 启动频率下降 步进电动机带动纯惯性负载时 启动频率和负载转动惯量之间的关系 称为启动惯频特性 15 当在启动惯频特性曲线上查不到带惯性负载的最大启动频率时 用下式近似计算 16 2动态特性 步进电机的动态特性影响动作快速及可靠性 与负载特性 电源的驱动方式有关 步进电机在运行状态下的转矩称动态转矩 一般 脉冲频率f 动态转矩

7、T 17 选择步进电动机 根据最大负载力矩 最大启动力矩 最大速度 最大加速度等 根据步进电动机的特性 综合考虑进行选择 工作中要求步进电动机能严格跟随指令脉冲 不发生失频 振荡 能快速起动 停止 正反转和高效运转 具有良好的动态特性 在最高连续工作频率能满足产品移动的要求 使其步距角与机械系统相匹配 以得到所需的脉冲当量 18 3参数确定 19 当工作台旋转时 开环系统的定位精度一般可达 0 01 0 03 mm 速度受电动机最高运行频率的限制 系统设计时 应选择合适的脉冲当量 传动元件应具有足够的刚度和制造精度 传动系统的惯量 间隙和摩擦因数要小 开环系统结构简单 调试方便 成本低 没有稳

8、定性问题 工作比较可靠 广泛用于精度与速度要求不高的场合 20 5 2 2交流伺服电机驱动的半闭环系统 1 交流伺服电动机的输出功率比直流电动机提高10 70 2 交流伺服电动机与同容量的直流电动机相比 重量约轻一半 3 转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁 可实现高转矩 惯量比 动态响应好 运行平稳 4 没者电刷和换向器 可靠性好 5 同轴装有高精度的脉冲编码器作检测元件 交流伺服电动机作为机电一体进给伺服系统执行元件和实现精密位置控制 已得到十分广泛的应用 21 脉冲编码器速度位置半闭环系统 位置偏差检测器 速度偏差检测器 22 半闭环系统工作原理 CNC发出的指定脉冲Pp 位置偏差检测器1

9、 与脉冲编码器测得实际转角反馈脉冲Pf比较 产生脉冲偏差脉冲 P Pp Pf D A转换器2 转换为位置偏差检测器输出电压 位置控制放大器3 与伺服电动机速度环4相比较后 输出偏差电压信号 信号控制PWM逆变器 输出交流电压频率 交流伺服电动机7获得相应的角速度和转矩值 同时 脉冲编码器发出的速度反馈信号 F V变换器 与角速度成正比的模拟电压Uf 速度偏差检测器进行比较 速度偏差电压 23 上图中 CMR 指令脉冲倍率DMR 检测脉冲倍率两个电路环节 其数值由软件设定 为了在比较器中进行比较的指令输入脉冲与反馈脉冲的当量相同而置 CMR 1个指令脉冲变换为nCMR个脉冲DMR 将脉冲编码器的

10、角位移反馈信号增加nDMR倍 相当于倍频器 CMR和DMR的数值是通过软件来设定 它们之间应该相互匹配 以获得所需的脉冲当量 24 指令脉冲当量为 mm p f 指令脉冲数 p s 指令位移当量为 f mm s 乘以nCMD后 输入到位置偏差比较器的脉冲数为f nCMR 此时的脉冲当量为 则输入位移当量为 f nCMR 因为 经指令脉冲倍率变换后不应改变指令位移当量 则 上式说明 实际的脉冲当量减小了nCMR倍 25 S 脉冲编码器的分辨率 p r 由于反馈到速度比较器的每转脉冲数为 则反馈脉冲当量为 反馈脉冲当量 与输入脉冲当量 相等 则 26 在CNC系统中 CMR可选值为 0 5 1 2

11、 5 10共5种DMR可选值为 0 5 1 1 5 2 3 4六种在硬件脉冲编码其分辨率s和丝杠导程t不变的条件下 可设计多种脉冲当量的伺服系统 扩展了CNC的适应多种加工的能力 27 5 3动力学设计 分类 伺服系统设计分为伺服传动系统的动力学方法和控制理论方法 动力学设计方法 在机械设计基础上进行的 其目的是确定伺服电动机的型号 电动机与机械系统的参数相互匹配 一般不计算控制电路参数和动态 稳态性能参数 属于静态设计 应用 用于开环及精度不太高的半闭环系统 控制理论设计方法 分为静态 稳态 设计和动态设计 其目的是根据系统的动态和稳态性能指标 确定伺服电动机 驱动与控制电路的参数 使整个系

12、统的机电参数得到合理的匹配 保证伺服系统具有良好的性能 问题 这种设计方法涉及到机电元部件的全部技术数据 若制造厂所提供的数据不全 需要自行测试 妨碍了控制理论设计方法在机电一体化系统设计中的广泛应用 应用 适合于精度高的半闭环和闭环系统的设计计算 28 5 3 1基本公式 如下图 根据刚体转动定律 电动机轴上加速转矩Ma为 29 式中 当运动为等加减速时 其加速转矩和时间分别为 等减速时 Ma取 30 电动机转矩计算式为 用上述动力学公式 可选择1 确定电动机的参数 起动或制动时的转矩 时间 位移和转角 2 检查机械参数设计合理性 目的 保证机械运动的平稳性和能量的有效利用 为机电传动系统的

13、控制创造条件 注意 在动力学计算前 要根据机械强度或刚度或经验设计确定有关的机械尺寸 才能利用动力学公式计算 31 5 3 2等效负载转矩计算 负载转矩根据工作负载工艺条件分为 工作负载 摩擦转矩和制动转矩 负载转矩根据与速度 或转速 的关系 有下列四种 恒定负载转矩与速度无关 如摩擦副中静摩擦转矩或力 与速度成正比的负载转矩如润滑摩擦副在运动中产生的粘性摩擦转矩或力 与速度平方成正比的负载转矩如高速物体的空气阻力 液体的搅拌阻力 与速度成反比的负载转矩如在恒功率传动中 其负载转矩与转速成反比 负载转矩一般表现为阻抗特性 但在重力方向相同的机械装置 如起重机 电梯 称为势能特性 机械系统运动控

14、制中 根据转矩性质分为 负载转矩 驱动转矩和动态转矩 又称惯性转矩 惯性转矩计算如下 32 典型机械系统的等效负载转矩计算 1旋转机械系统 如下图所示 33 典型机械系统的等效负载转矩计算 2直线运动进給系统 工作台的负载为F 工作台重量W 静摩擦系数 机械效率 为 34 5 3 3典型机械传动系统等效转动惯量计算 1旋转机械系统 根据刚体力学中的动能守恒定律 换算到电动机轴的总动能和等效转动惯量Je表示时 35 2直线运动物体的运动惯量换算到驱动轴上的等效转动惯量 螺旋进给机构 该机构在数控机床中 如实验中的X Y工作平台 应用根据刚体力学中的动能守恒定律 36 对于由k对齿轮 L个直线移动

15、件的螺旋进给系统 各运动件折算到电动机轴上转动惯量为 37 3弹性系数的转化 般认为位移弹簧储有位能 这与电气网络中的电容或电感相似 当弹簧变形很小时可看成线性 其表达式为 当加一转矩至圆棒或轴时 圆棒或轴的弹性可用扭力弹簧系数K表示 单位角位移的转矩为T t 其表达式为 力 弹簧系统 转矩 扭力弹簧系统 38 系统中各环节的弹性变形将如何影响被研究的元件 这里弹性系数转化如下 式中k 转化弹性系数 kj 各构件的弹性系数 ij 各构件到被研究元件间的传动比 此式是对旋转传动系统而言的 如果是移动系统则需要变换 串联弹簧的等效数学表达式为 并联弹簧的等效其数学表达式为 39 4摩擦 两物体接触

16、面间的摩擦力可简化为粘性摩擦力 库仑摩擦力与静摩擦力三类 方向均与运动方向 或由运动趋势方向 相反 粘性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成正比 库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力 大小为一常数 静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力 运动开始后静摩擦力即消失 40 由振动理论知 运动中的机械部件易产生振动 其振幅取决于系统的阻尼和固有频率 系统的阻尼越大 最大振幅越小 且衰减越快 线性阻尼下的振动为实模态 非线性阻尼下的振动为复模态 机械运动副的摩擦阻尼占主导地位 在应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦的线性阻尼 5阻尼 41 阻尼对弹性系统的振动特性的主要影响如下 1 系统的静摩擦阻尼越大 系统的失动量和反转误差越大 使定位精度降低 加上摩擦一速度特性的负斜率 易产生爬行 降低机械的性能 2 系统粘性阻尼摩擦大 系统的稳态误差越大 精度低 3 质量大刚度低的机械系统 为了减少振幅 加速振动衰减 可增大粘性摩擦阻尼 机械传动部件一般可简化为二阶振动系统 其阻尼比为 应用中取0 4 0 8的欠阻尼 既能保证振荡在一定的范围内过渡过程较平稳 过渡过程时间较短 又具有较高的