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1、第二章 伺服系统的稳态设计,2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设
2、计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计,第二章 伺服系统的稳态设计,2.1 设计概述,速度控制系统和位置控制系统的共同特点是：通过系统的执行元件直接或经机械传动装置带动被控对象，完成要求的机械运动。 因此工程上对它们的技术要求，主要是围绕着
3、机械运动的规律和运动参数的要求。,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,速 度 调 节 要 求 ： 可 逆 性 要 求：单 向 调 速、可 逆 调 速 平 滑 性 要 求：有 级 调 速、无 级 调 速 连续性要求：调速是连续的还是容 许 有 间 歇 的 。,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,2. 系 统 输 出 轴 要 求 ： 最 大 转 速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s) 最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s) 调 速 范 围 D：,2.1.1 速度控制系统通常的技术指标要求,3. 系 统 输 出
4、轴 上 负 载 力 矩 变 化 时 ，控 制 精 度 技 术 指 标 ： 转 速 降 n（ ）：n = n0 n 其 中：n0 - 控 制 信 号 一 定 的 情 况 下 ， 理 想 的 空 载 转 速 n - 控 制 信 号 一 定 的 情 况 下 ， 满 载 时 的 转 速 静 差 率 ： = ,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,4. 阶 跃 输 入 下 系 统 的 动 态 响 应 特 性 ： 最 大 超 调 量 % 调 节 时 间 ts：偏 差 在 5 或 2 范 围 振 荡 次 数 N,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,5. 负 载 扰 动 下 的 动 态 响 应 特 性
5、： 阶 跃 扰 动 或 脉 冲 扰 动 下 ， 最 大 转 速 降 nmax(或max或Vmax) 调 整 时 间 tsf,2.1.1 速度控制系统通常的技术要求,6. 其 它 要 求 ： 工 作 制 的 要 求 ：长 期 连 续 运 行 制 、间 歇 运 行 制 、 短 时 运 行 制 。 系 统 可 靠 性 要 求 ：通 常 用 连 续 运 行 无 故 障 时 间 来 衡 量 。 使 用 寿 命 使 用 环 境 条 件 ：环 境 温 度 、湿 度 、振 动 、抗 冲 击 、防 水 、防 化 、防 辐 射 、电 源 条 件 的 限 制 经 济 性 要 求 ：生 产 成 本 、标 准 化 程
6、度 结 构 型 式 要 求 ：体 积 、质 量 、安 装 特 点 等,2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版
7、书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态
8、设计,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,速 度 调 节 要 求 ： 平 滑 性 要 求：有 级 调 速、无 级 调 速 可 逆 性 要 求：单 向 调 速、可 逆 调 速 连续性要求：调速是连续的还是容 许 有 间 歇 的 。,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,2. 系 统 输 出 轴 要 求 ： 最 大 转 速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s) 最 低 平 稳 转 速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s) 调 速 范 围 D：,2.1.2 位置伺服系统通常的技术要求,3. 系 统 静 误 差 es ( 系 统 静 差)
9、随动系统通常设计成无静差系统， 当系统静止协调时，没有位置误差。但实 际系统存在非线性因素，如：测角元件 的分辨率有限、系统输出端机械运动部 分存在干摩擦等等，都将给系统造成一 定 的 静 误 差 。,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,4. 阶 跃 输 入 下 系 统 的 动 态 响 应 特 性 ： 最 大 超 调 量 % 调 节 时 间 ts：偏 差 在 5 或 2 范 围 振 荡 次 数 N,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,等 速 跟 踪 时，负 载 扰 动 下 的 动 态 响 应 特 性 ： 最 大 误 差 角 em f 过 渡 过 程 时 间 tsf,2.1.2 位置控制
10、系统通常的技术要求,6. 系 统 跟 踪 状 态 下 的 误 差 指 标 ： 速度误差ev 最大正弦误差em 相 对 精 度 指 标 ： 速 度 品 质 系 数 Kv: (1/s) 加 速 度 品 质 系 数 Ka: (1/s2),2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,7. 频 率 响 应 特 性 指 标 要 求 振 荡 指 标 Mp: 位 置 伺 服 系 统 闭 环 幅 频 特 性 A ( p ) 的 最 大 值 与 A(0) 的 比 值 ；(一 般 位 置 伺 服 系 统 无 静 差 ：A(0)=1 ) 频 带 宽 度 b: 闭 环 幅 频 特 性 A(b) = 0.707 时 的 角
11、频 率。 相 角 储 量 ,2.1.2 位置控制系统通常的技术要求,8. 其 它 要 求 ： 工 作 制 的 要 求 ：长 期 连 续 运 行 制 、间 歇 运 行 制 、 短 时 运 行 制 。 系 统 可 靠 性 要 求 ：通 常 用 连 续 运 行 无 故 障 时 间 来 衡 量 。 使 用 寿 命 使 用 环 境 条 件 ：环 境 温 度 、湿 度 、振 动 、抗 冲 击 、防 水 、防 化 、防 辐 射 、电 源 条 件 的 限 制 经 济 性 要 求 ：生 产 成 本 、标 准 化 程 度 结 构 型 式 要 求 ：体 积 、质 量 、安 装 特 点 等,2.1 设 计 概 述（旧
12、版书：5 1） 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2） 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3） 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、 5 4） 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测
13、装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM) 线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4） 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）,第二章 伺服系统的稳态设计,一、系统方案的制订与稳态设计 系统设计师应该 熟悉市场上供应的元器件和材料 了解新产品资料
14、 了解国内加工工艺和检验技术水平 追踪新元器件、新工艺和新技术的发展 密切关注电力电子学领域的发展动态,2.1.3 伺服系统设计内容与步骤,经过调查研究，在充分掌握上述信息的基础上，结合设计技术要求，制订出系统的结构方案。 选定系统各主要元部件的形式 确定各部件的接口方式、系统控制方式 确定系统的主干线路、辅助线路及电源型式,进行稳态计算 执行元件的计算和选择 功率放大器的选择和计算 敏感元件的确定 中间控制电路的确定 传动装置设计,检验各部件之间输入、输出的功率匹配以及精度 解决信号的有效传递、综合叠加、信号形成与变换，以及级间耦合匹配等问题。 ! 要为引入校正补偿装置留有余地，尽量照顾到改
15、善动态性能及综合校正的方便,二、建立系统的数学模型 即推导系统开环或闭环传递函数或建立系统的状态方程 它是进行系统动态设计计算的基础 推导过程中，需作适当的简化和近似线性化处理 必要时需对有关元部件的特性进行实验测试，以获得必要的数据,三、系统动态分析综合 研究系统的动态品质 决定校正装置的形式和参数以及提高动态品质的措施,四、模拟试验,调 研,稳态设计 推导传递函数 动态设计,一、调 研 1. 选 定 伺 服 系 统 各 部 件 型 号 ； 2. 确 定 各 部 件 间 接 口 方 式 ； 3. 选 择 伺 服 系 统 的 控 制 方 案 ； 4. 确 定 伺 服 系 统 的 主 干 线 路 、辅 助 线 路 及 电 源 二、理 论 设 计 1. 稳 态 设 计 负 载 分 析 计 算 选 择 执 行 电 机 选 择 检 测 元 件 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 和 选 择 2. 传 递 函 数 的 推 导 3. 动 态 设 计 希望 特 性 的 绘 制 设 计 校 正 环 节 三、调 试,2.1 设
