机电一体化第五章伺服系统设计

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1、机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,第五章 伺服系统设计 5.1概述 5.1.1 概念 伺服系统 在控制指令的指挥下,控制驱动元件,使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动的系统。 伺服系统有闭环伺服系统与开环伺服系统之分。 闭环伺服系统是一种反馈控制系统，其工作过程是偏差不断产生又不断消除的过程。 举例： 步进电机滚珠丝杠伺服驱动系统（开环位置控制伺服系统）。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,5.1.2 伺服系统的类型及要求 一、类型 1 按被控量分: 有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系统。 2 按控制方式分: 有开环、闭环、半闭环等伺服系统。 3 按驱动元件性质分: 有

2、电动、液压、气动等伺服系统。 二、 基本要求 1、稳定性要求 稳定的系统在受到外界干扰时, 其输出响应的过度过程随时间的增加而衰减; 不稳定的系统其输出响应的过度过程随时间的增加而增加，或表现为等幅振。 稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及参数（如贯性 刚度 阻尼 增益等），与外界作用信号的性质或形式无关。 2、精度要求 伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。 3 、快速响应性要求 快速响应 输出跟随输入信号的变化程度以及动态响应过程结束的迅速程度。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,5. 2 伺服系统中的执行器件及其控制 5.2.1 概述 一、执行器件类型： 1 、电

3、气式：步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机等。 2 、液压式：液压缸 液压马达等，控制性能不如伺服电机。 3 、气压式：气缸 气马达等，较难伺服控制。 二、对执行器件的要求： 惯性小，动力大；体积小，质量轻；好控制，成本低；可靠性好等。 5.2.2 直流伺服电动机及控制 书上只介绍了速度控制（不要求）,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,5.2.3 步进电动机及其控制 一、工作原理 如下图所示： 定子上有6个齿，三对磁极，转子上分布有4个齿。 定子上三相绕组（三对磁极）轮流通电，吸引转子一步一步旋转。 每通断电一次，步进电机转过的角度称为步距角，图为30。,机电一体化系统设计 第五章 伺

4、服系统设计,二、通电方式及步距角计算 （一）通电方式 定子绕组每通断电操作一次称为一拍。 三相单三拍通电方式： ABC A 三相双三拍通电方式： AB BC CA AB 三相六拍（单双轮流）通电方式： A AB B BC C CA A 改变各相绕组的通断电顺序可实现逆转。 一般对于m相步进电机有： 1、 m相单m拍通电方式。 2、 m相双m拍通电方式。 3、 m相2倍m拍通电方式。 m相单m拍通电方式为单相通电方式，由于矩频特性差,容易失步,实际较少采用。单双轮流通电方式矩频特性最好。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,（二）步距角计算 =360/(cmz) 步距角； z转子的齿数；

5、m步进电机的相数； c 通电方式系数，单拍或双拍通电时取1，单双轮流通电时取2。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,三、步进电机的主要性能指标及特性 1、最大静转矩Tmax 步进电机运行频率为零（转速为零）时的输出转矩。 步进电机运行频率步进电机绕组每秒钟通断电次数。 步进电机工作时的负载转矩一般取最大静转矩的30 % 50 %。 2、步距角及其精度（误差） 空载时实测步距角与理论步距角之差. 反应了步进电机的制造精度。 步进电机步距角精度较低的一般为1030 , 精度高的可达25。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,3、步进电机矩角特性静态时转矩与失调角的关系。 什么是失调角

6、？ 保持一相（单拍）或两相（双拍）绕组通电 ，此时定子与转子的齿对齐，当转子加一负载转矩时，转子将转角，角称为失调角。转矩与关系见下图：,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,4、启动矩频特性 启动频率与负载转矩的关系。 启动频率电机在有外加负载转矩时，不失步启动的最高脉冲频率。 失步转子前进的步数不等于输入的脉冲数。 启动矩频特性曲线见下图。 由图可知，负载转矩越大所允许的最大启动频率就越小。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,5、启动惯频特性 启动惯频特性 启动频率与转动惯量（纯惯性负载）之间的关系。 如图下所示，负载转动惯量越大，允许最大启动频率就越低。,机电一体化系统设计

7、第五章 伺服系统设计,6、连续运行矩频特性 电机启动后不失步运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。 如下图所示，电机输出转矩随运行频率的增加而减小。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,7、步进运行和低频振荡 步进运行 当输入脉冲频率很低时，脉冲周期大于电机的过渡过程时间，电机处于一步一停的状态。 低频振荡步进电机运行的频率（较低时）与电机的固有频率相等或接近时，会发生共振，使电机产生振荡不前的现象。 避免低频振荡方法 ：（1）避开固有频率运行；（2）调节电机上阻尼器改变固有频率。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,四、步进电机的控制与驱动 要使步进电机正确运转，必须按一定顺序对

8、定子各相绕组励磁，以 产生旋转磁场，即按一定规律将控制脉冲分配给步进电机各绕组。步进电机每接收一个脉冲将相应转过一定的角度。 按一定规律将指令脉冲分配给步进电机各绕组的器件称脉冲分配器。 脉冲分配器有硬件与软件之分。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,（一）软件脉冲分配器与控制编程 软件脉冲分配器用计算机程序实现脉冲分配。 应用举例： 已知数控机床某方向进给系统脉冲当量=0.01mm（脉冲当量：一个脉冲（一个步距角）前进的距离。 =(p)/(360 i ) ，其中 步距角，P导程， i传动比），计算机晶振频率为6M，选用四相电机，四相八拍工作方式，要求工作台以V=1000mm/min的

9、速度前进2mm ，设计步进电机驱动硬件及软件 （采用软件脉冲分配器）。 1、硬件（ 接口）设计 当P1.0置低电平时，对应的A向为高电平，步进电机相应绕组带电。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,2、四相八拍脉冲分配表 每个控制数据高4位值为F（理论上可为任意值）。 按1到8的序号送控制数据为正转； 按8到1的序号送控制数据为反转。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,3、脉冲分配软件 任务：按一定顺序及时间间隔将控制脉冲分配给步进电机各绕组，以 产生旋转磁场。 编程思路 ： mov R1,#19H ;共走200步 LP: mov P1,#0FEH LCALL YS ;调用延时子

10、程序，延时0.6ms。0.6200=120ms mov P1,#0FCH LCALL YS ;调用延时子程序 . . DJNZ R1, LP 步进中断定时举例,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,脉冲分配控制程序： （1）按序号查表求控制数据，结果存放在55H单元 内存使用安排：02H中存正反转标志，0正转，1反转 52H中存节拍序号，01H08H 55H中存控制数据（程序运行结果） MCFP：MOV R1，#52H ； 用R1间接寻址，52H中存节拍序号 MOV C，02H ； 正反转标志送C寄存器 JC PPD2 ；若C=1（反转)跳转到PPD2 ，否则往下执行正转程序 INC R1

11、 ; 节拍序号加1, 正转 CJNE R1, #09H, PPD3 ; R1与#09H比较不相等( 序号0)转PPD3(求控制数据) MOV R1, #08H 若序号=0 则 序号单元置8, 即52H=8 PPD3: MOV A, R1 ; 序号送累加器A ADD A, #03H ; A的内容加查表偏移量(3字节), 结果在A中 MOVC A, A+PC ; 根据序号查表得控制数据, 结果在A中 MOV 55H, A ; 控制数据送55H单元(2字节) RET ; 返回(1字节) DB: 0FEH, 0FCH, 0FDH, 0F9H, 0FBH, 0F3H, 0F7H, 0F6H,机电一体化系

12、统设计 第五章 伺服系统设计,（2）以一定的时间间隔将55H中数据送P1口(应满足要求: V=1000mm/min的速度前进2mm) 思路: 利用定时中断计数器发出中断信号, 准时地、等间隔地将55H中数据送P1口。 1)、计算定时中断时间常数(采用T0定时中断计数器) 如果采用定时模式1，即通过16位计数器TH0（高8位）TL0（低8位）计数，计数满产生中断。 中断快慢取决于：晶振频率（晶振振荡12次计一个数）。 开始计数时TH0TL0已存有的数(时间常数)大小。 时间常数大则计满数快，数小则慢。 时间常数：Tx=216 (5fOSC)/v 式中， fOSC为晶振频率 ， 为脉冲当量 ， v

13、 为工作台移动速度。 Tx=216 (5fOSC)/v = 65536 561060.01/1000=65236 =15163+14162+1316+4=0FED4H 2）、计算进给步数 步数=进给距离/ 脉冲当量=2/ 0.01=200=0C8H,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,3) 程序清单 JGkZ：MOV R4，#0C8H ； 进给步数送R4。 MOV 52H，#01H ； 节拍序号1送内存52H。 MOV TL0，#0D4H ； 送时间常数低4位到定时计数器。 MOV TH0，#0FEH ； 送时间常数高4位到定时计数器。 LOP0：MOV 02H ，#00H ； 正转标志

14、#00送内存02H。 LOP1：LCALL MCFP ； 调用“求脉冲分配控制数据”子程序，结果在55H中. MOV R3 ，#01H ； R3中存放中断与否标志，R3=1未中断，R3=0已中断. SETB TR0 ； 启动定时器T0。 SETB ET0 ； T0开放中断。 LOP2：CJNE R3 ，#00H，LOP2 ； R3与#00比较不相等则等待，中断完成R3=#00H。 DJNZ R4 ，LOP1 ； R4减1（步数减1），不为零转LOP1继续。 RET T0中断程序（定时向电机输出进给脉冲） T0入口：000BH AJMP 200H ORG 200H MOV TL0，#0D4H ；

15、 重装 时间常数，为什么要重装？ MOV TH0，#0FEH MOV P1 ，55H ； 将控制数据送P1口输出，控制数据由“MCFP”求得 MOV R3 ，#00H ； 将中断完成标志“#00H”送R3 RETI ； 中断返回,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,（3） 如何调速？ 改变时间常数即可改变电机进运行速度。 时间常数增大计数器溢出所用的时间短每次中断所用的时间就少电机运行频率加快电机运行速度变快。反之，时间常数减小电机运行速度减慢。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,（二）硬件脉冲分配器及其接口 1、概念 硬件脉冲分配器大多作成集成芯片，由硬件（芯片）本身实现脉冲分配。,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,国内外有多种芯片型号，现以国产芯片YB013为例说明硬件脉冲分配器的使用。 右图是YB013 脉冲分配器管脚图。 E0：输出选通 A1 A0：见表5-3 E1 E2：输入选通,机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计,2、硬件脉冲分配器接口 A0=1，A1=0，三相六拍通电方式。