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1、伺服系统稳态设计伺服系统稳态设计 概述概述伺服系统典型负载分析和计算伺服系统典型负载分析和计算伺服系统控制方案选择伺服系统控制方案选择伺服电机选择伺服电机选择伺服检测装置的选择伺服检测装置的选择放大装置选择放大装置选择吻杜林防汀诽搁怯超铂殊步僵梦侍憎拎寻暮瞪潞稳狂挪氟祷辈户抉崩斥嘶伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案概概 述述伺服系统稳态设计的内容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定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。伺服系
2、统稳态设计目的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。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。括满足动态误差、稳定性及快速性要求。 伺服系统稳态设计伺服系统稳态设计特点特点 稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。澈耙杖表踪逝哲晕平烩杰痈块休胳鹃俏将瑶洪钥黄碰典照伍例账胯蛋扰遣伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案工
3、程定量计算的计量单位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。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。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。 名名 称称符号符号工程单位工程单位国际单位国际单位换算关系换算关系转速转速角速度角速度n r/minrad/s1 r/min = /30 rad/s飞轮转矩飞轮转矩GD2kgm2gcm2Nm21 kgm2 = 9.8 Nm21 gcm2 = 9.810-7 Nm转动惯量转动惯量Jkgms2gcms2kgm21 kgms2 = 9.8
4、 kgm21gcms2=9.810-5kgm2力力FkgN1 kg = 9.8 N力力 矩矩M或或TkgmgcmNm1 kgm = 9.8 Nm1 gcm = 9.810-5 Nm功功(能能)WkgmWhJ或或Nm1 kgm = 9.8 J1 Wh = 3600 J功功 率率Pkgm/shPW或或J/s1 kgm/s = 9.8 W1 hP = 735.5 W霍鲜检芍毖稀轿掏嫂剔弊沮膨通药队瞳崔瘁拉猿汪氟傣策叛锁垛牟允持铁伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案伺服系统典型负载分析和计算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、动力学明确了系统技术指标后，研究被控
5、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。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，需对负载作定量分析，根据对掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对象的实际运动规律来建立负载和干扰模型。象的实际运动规律来建立负载和干扰模型。 一、系统典型负载分析一、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随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机(或液或液压、气动马达压、气动马达)带动被控对象做机械运动。其控制特性与被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。控对象相联系的动力学特性关系极大
6、。 被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳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。态和动态性能。 系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎任一系统均有。任一系统均有。靖旱睛菌酥皖盐镭晤安妻翼秩调宵擦瞄批缩毗甲血房谣暇斯庞库克葫帐朵伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 1.摩擦负载摩擦负载 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
7、存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。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。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。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(或称湿或称湿摩擦摩擦)和介于两者之间的边界摩擦和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦俗称半
8、干摩擦)。在条件相同情。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。况下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。 摩擦力摩擦力Fc = fN。 摩擦系数摩擦系数f与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动速与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动速度、接触时间等均有关。度、接触时间等均有关。呐建账责唬狱宴溶譬堤混喧撅品少豺阔庆祖晨里孜嗜逸眼攫笺龄瞧太余膏伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 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。以旋转运动为例作用综合的结果。以旋转运动
9、为例: 静摩擦力矩最大，随着输出角速度静摩擦力矩最大，随着输出角速度的增加的增加(01)时，摩擦力矩又时，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。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。 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跟踪时，由于摩擦负载在低速区有dMc/d1, 系统对于扰系统对于扰动动N(s) 比没有反馈时要差。因此，单回路控制系统难于抑制干比没有反馈时要差。因此，单回路控制系统难于抑制干扰作用的影响。扰作用的影响。 在单回路系统中，如果系统的指标
10、要求较高，系统的增益应在单回路系统中，如果系统的指标要求较高，系统的增益应当较大，则系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结当较大，则系统通过串联校正很可能难以实现，必须改变系统结构。构。 单回路控制系统只适用于被控对象比较简单。性能指示要求单回路控制系统只适用于被控对象比较简单。性能指示要求不很高的情况。不很高的情况。在要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路结构。在要求较高的控制系统中，一般采用双回路和多回路结构。 双回路控制系统对输入和干扰的传递函数分别为双回路控制系统对输入和干扰的传递函数分别为 郡足累痹搔歌膝兹灶列匠痴杠躲夜趾皑诧样赛爬径搜袄颠墨咐反丈抨吕堂伺服系统稳态设计
11、方案伺服系统稳态设计方案 可以选择串联校正装置可以选择串联校正装置Gc1(s)和并联校正装置和并联校正装置Gc2(s)来满足来满足对对R(s)和和N(s)的指标要求。由于有了局部反馈，可以充分抑制的指标要求。由于有了局部反馈，可以充分抑制N(s)的干扰作用，而且当部件的干扰作用，而且当部件G2(s)的参数变化很大时，局部闭环可的参数变化很大时，局部闭环可以削弱它的影响。一般局部闭环是引入速度反馈。它还可改善以削弱它的影响。一般局部闭环是引入速度反馈。它还可改善系统的低速性能和动态品质。系统的低速性能和动态品质。 选择局部闭环的原则如下：选择局部闭环的原则如下：一方面要包围干扰作用点及参数一方面
12、要包围干扰作用点及参数变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高变化较大的环节，同时又不要使局部闭环的阶次过高(一般不高一般不高于三阶于三阶)。带外桩塞柑坐羊裔深遣勿册玉忧鲤某绳寸谓近苍早静鲸岂遁窝雀应协捍坡伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 3、复合控制、复合控制 反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参反馈控制是按照被控参数的偏差进行控制的，只有当被控参数发生变化时，才能形成偏差，从而才有控制作用。复合控制数发生变化时，才能形成偏差，从而才有控制作用。复合控制则是在偏差出现以前，就产生控制作用，属于开环控制方式。则是在偏差出现以前，就产生控制作用，属于开环控制方式。前
13、馈控制又叫顺馈控制或开环补偿。引入前馈控制的目的之前馈控制又叫顺馈控制或开环补偿。引入前馈控制的目的之一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差，加速度误差等。一是补偿系统在跟踪过程中产生的速度误差，加速度误差等。补偿控制是对外界干扰进行补偿。当外界干扰可量测时，通补偿控制是对外界干扰进行补偿。当外界干扰可量测时，通过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响。过补偿网络，引入补偿信号可以抵消干扰作用对输出的影响。 对干扰实现了完全的不变性。对干扰实现了完全的不变性。 株攫瞳钥觅荡战姐庙言笋连框鱼牡甜滓现岩剿诊动壳贾桐墒劲湿蕉麦沟泻伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 二、选择方案的注
14、意事项二、选择方案的注意事项选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。针选择方案最基本的依据就是用户对系统的主要技术要求。针对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。对不同的使用环境，选择方案的出发点就不同。 军用伺服系统：工作品质、可靠性和灵活性；军用伺服系统：工作品质、可靠性和灵活性； 民用伺服系统：长期运行的经济性；民用伺服系统：长期运行的经济性；系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，对精度的要求系统运行速度很高，且经常处于加速度状态，对精度的要求高时，可以设计二阶无差度系统或者采用复合控制系统。高时，可以设计二阶无差度系统或者采用复合控制系统。负载调速范围很宽时，一般选无槽电
15、动机。高性能系统中，负载调速范围很宽时，一般选无槽电动机。高性能系统中，一般选大惯量宽调速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。一般选大惯量宽调速伺服电动机，采用直接耦合传动方案。考虑电磁兼容性要求考虑电磁兼容性要求。选择方案应根据系统的主要要求，初步拟定方案，进行可行选择方案应根据系统的主要要求，初步拟定方案，进行可行性分析、试验，进一步补充和完善。有时需要构思几个方案进行性分析、试验，进一步补充和完善。有时需要构思几个方案进行对比、优化，方案确定后便可按照设计步骤逐项进行，并在试验对比、优化，方案确定后便可按照设计步骤逐项进行，并在试验中作局部修改。中作局部修改。蛹古溺寅门锐思忘平着乒名俞冠蔡
16、镐磅憨而颤贯蛀宽昆孟鉴骨塑瞎念墓樱伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案伺服电机选择伺服电机选择 伺服系统的执行元件，可采用电动机、液压泵和液压马达、伺服系统的执行元件，可采用电动机、液压泵和液压马达、气动设备、电磁离合器等。气动设备、电磁离合器等。 对执行电机的要求如下：对执行电机的要求如下： (1)满足负载运动的要求（提供足够的力矩和功率）满足负载运动的要求（提供足够的力矩和功率） (2) 正反转，起停，保证系统的快速运动正反转，起停，保证系统的快速运动 (3) 调速范围调速范围 (4) 功率消耗、尺寸要求功率消耗、尺寸要求 确定电机类型、额定输入输出参数确定电机类型、额定输入输出参数
17、额定电压额定电压UR、额定电流、额定电流IR、额定功率、额定功率PR、额定转速、额定转速nR 控制方式控制方式 电机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分电机到负载之间传动装置的类型、速比、传动级数和速比分配，估算传动装置的转动惯量和传动效率。配，估算传动装置的转动惯量和传动效率。鄂央鞭羡哈敷家僻翰抵导觅杠祸婪曼轩舷舟邦蒜朔诡胶耸爬稻芋婪瞧爵浮伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 一、伺服电动机的类型一、伺服电动机的类型 直流伺服电动机、低速大扭矩宽调速电机、两相异步电机、直流伺服电动机、低速大扭矩宽调速电机、两相异步电机、三相异步电机、同步电机、滑差电机、力矩电机和步进电机。三
18、相异步电机、同步电机、滑差电机、力矩电机和步进电机。 1.直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机按励磁方式分：他激、串激、并激直流伺服电动机按励磁方式分：他激、串激、并激 。控制。控制方式分电枢控制和磁场控制两大类。方式分电枢控制和磁场控制两大类。 电枢控制电枢控制易获得较平直的机械特性，有较宽的调速范围。功易获得较平直的机械特性，有较宽的调速范围。功率范围几百瓦至几十千瓦。率范围几百瓦至几十千瓦。 糯趁通齿督邮确灸饥庚爽盐谗插臂蚂冕耍望炮锦额潦翰哟沉实既矩柬懊扔伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案磁场控制磁场控制分电枢电压保持不变和电枢电流保持不变两种。分电枢电压保持不变和电枢电流
19、保持不变两种。 电枢电压为常值，功率在几百瓦电机，具有弱磁电枢电压为常值，功率在几百瓦电机，具有弱磁升升速特性。在速特性。在几十瓦以内，且负载力矩几十瓦以内，且负载力矩MR较大，负载特性处于机械特性汇交点较大，负载特性处于机械特性汇交点的右边，可以实现弱磁的右边，可以实现弱磁降降速，激磁电流速，激磁电流IR近似与转速成正比，可近似与转速成正比，可用于可逆连续调速场合。调速范围和调节特性的线性度均远不如用于可逆连续调速场合。调速范围和调节特性的线性度均远不如电枢控制。电枢控制。 电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至十几瓦的小功电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至十几瓦的小功率电机，只
20、有加较深的速度负反馈系统才可获得稳定的转速。在率电机，只有加较深的速度负反馈系统才可获得稳定的转速。在只有输出力矩只有输出力矩(转速可以为零转速可以为零)的场合比较适用的场合比较适用 。 学主帕闪沦呻帧臂婶翌奴岛炕莎叔屈卉茁昧梢晴缨茄旅漆冬年板蔗殴宋随伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案直流他激伺服电动机的转矩直流他激伺服电动机的转矩惯量比是很小的，已不能适应惯量比是很小的，已不能适应现代伺服控制技术要求现代伺服控制技术要求.两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机 (1)小惯量无槽电枢直流伺服电动机小惯量无槽电枢直流伺服电动机 无槽电枢直流伺服电动机又称表
21、面绕组电枢直流伺服电动无槽电枢直流伺服电动机又称表面绕组电枢直流伺服电动机。结构不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组与铁心成机。结构不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组与铁心成为一个坚实的整体，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小为一个坚实的整体，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小了电枢直径，减小了转子的转动惯量。换向性能改善，过载能力了电枢直径，减小了转子的转动惯量。换向性能改善，过载能力加强。改善低速平稳性、扩大了调速范围。加强。改善低速平稳性、扩大了调速范围。 具有以下优点：具有以下优点： 转子转动惯量小，普通电机转子转动惯量小，普通电机1/10，电磁时间常数小，反应快，电
22、磁时间常数小，反应快 转矩转矩惯量比大，过载能力强，最大转矩比额定转矩大惯量比大，过载能力强，最大转矩比额定转矩大10倍倍 低速性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达低速性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达数千比一。数千比一。 班木斑到箍宏功笋谢屈仆滦晒领夏雪箔馋爱紧乞映哦皿邹燎愉队羹髓估尿伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 具有以下缺点：具有以下缺点： 转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器 气隙大，安匝数多，效率低。惯量小、热容量较小，过载气隙大，安匝数多，效率低。惯量小、热容量较小，过载时间不能太长。时间不能太
23、长。 由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总惯量中较大成份。负载转惯量发生变化时，影响系统的动态性惯量中较大成份。负载转惯量发生变化时，影响系统的动态性能。惯量匹配问题。能。惯量匹配问题。 无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中，机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中，如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算机外围设备以及数控机床等方面都有应用实例。机外围设备以及数控机床
24、等方面都有应用实例。茂酞诅燕浙楞枪啄握蝎杖嘎钟耍伦实尽棠钠映验虏惶整凹班牌乍章堤搭该伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 (2)空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机 空心杯电枢直流伺服电动机是一种转动惯量更小的直流伺服电空心杯电枢直流伺服电动机是一种转动惯量更小的直流伺服电动机，为动机，为“超低惯量伺服电动机超低惯量伺服电动机”。低转动惯量，起动时间常数可达低转动惯量，起动时间常数可达1ms以下。转矩以下。转矩转动惯量比转动惯量比很大，角加速度可达很大，角加速度可达106rad/s2。灵敏度高，快速性好，速度调节方便，始动电压在灵敏度高，快速性好，速度调节方便，始动电压在100
25、mV以下以下损耗小、效率高。效率可达损耗小、效率高。效率可达80%或更高。或更高。绕组均匀分布，无齿槽效应，转矩波动小，低速平稳，噪声小绕组均匀分布，无齿槽效应，转矩波动小，低速平稳，噪声小绕组的散然条件好，其电流密度可取到绕组的散然条件好，其电流密度可取到30A/mm。转子无铁心，电枢电感很小，换向性能很好，提高使用寿命转子无铁心，电枢电感很小，换向性能很好，提高使用寿命 空心杯形电枢直流伺服电动机输出功率从零点几瓦到几千瓦，空心杯形电枢直流伺服电动机输出功率从零点几瓦到几千瓦，多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、各
26、种录单机、各种录单机、X-Y函数记录仪、数控机床等机电一化设备中。函数记录仪、数控机床等机电一化设备中。贝阶瀑勇速罕郑蚕清鞍讫他耻涟喝常篇旦绰狼垒左佃戴卉夷啸夕呐镊蜂彻伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 2.低速大扭矩宽调速电动机低速大扭矩宽调速电动机 低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的基础上发展起来的一种新型电动机。相对于前面的小惯量电动机基础上发展起来的一种新型电动机。相对于前面的小惯量电动机而言，大扭矩宽调速电动机具有下列特点：而言，大扭矩宽调速电动机具有下列特点：高转矩高转矩转动惯量比，从而提供了极高的加速
27、度和快速响应转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应高热容量，使电机在自然冷却全封闭条件下，仍能长时间过载高热容量，使电机在自然冷却全封闭条件下，仍能长时间过载电机具有高转矩和低速特性使得它可与对象直接耦合电机具有高转矩和低速特性使得它可与对象直接耦合 电动机在大的加速度和过载情况下，有良好的换向。电动机在大的加速度和过载情况下，有良好的换向。电动机具有足够的机械强度，保证有长的寿命和高的可靠性。电动机具有足够的机械强度，保证有长的寿命和高的可靠性。采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速大转矩时能承受最大峰值转矩。大转矩
28、时能承受最大峰值转矩。电动机内安装有高精度和高可靠性的反馈元件电动机内安装有高精度和高可靠性的反馈元件脉冲编码器脉冲编码器或多极旋转变压器和低纹波测速发电机。或多极旋转变压器和低纹波测速发电机。姆锐狱糠稼西卒锌男臆其感花棋椅贯奇栗倒崩很渤惑茶票类姨屉矮旗擂匡伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 3.两相异步电动机两相异步电动机两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统中两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统中被广泛应用。控制方式分幅值控制和相位控制。被广泛应用。控制方式分幅值控制和相位控制。两相异步电动机具有较宽的调速范围，本身摩擦力矩小，比较两相异步电动机具有较宽
29、的调速范围，本身摩擦力矩小，比较灵敏。具有杯型转子的两相异步机转动惯量小，因而快速响应灵敏。具有杯型转子的两相异步机转动惯量小，因而快速响应特性好，常见于仪表随动系统中。特性好，常见于仪表随动系统中。 4.三相异步电动机三相异步电动机三相异步电动机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、三相异步电动机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、串级调速、脉冲调速等。变频调速可获得比较平直的机械特性，串级调速、脉冲调速等。变频调速可获得比较平直的机械特性，调速范围比较宽但控制线路复杂。该调速方法目前已得到广泛调速范围比较宽但控制线路复杂。该调速方法目前已得到广泛应用。工业中传统使用的是利用可控硅实现
30、变压调速和串级调应用。工业中传统使用的是利用可控硅实现变压调速和串级调速，它只适用于线绕式转子的异步电动机。变压调速和串级调速，它只适用于线绕式转子的异步电动机。变压调速和串级调速均在单向调速时采用，低速性能差且调速范围不宽。速均在单向调速时采用，低速性能差且调速范围不宽。与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻、与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻、价格便宜、维护简单。价格便宜、维护简单。咖竟谨犯乱绝盛溉办多苍雪臂樱潭召苟械撵擂桩缚抽叠迎腺你物够镐悲欧伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 5.滑差电机滑差电机(亦称转差离合器亦称转差离合器) 滑差电机的主动部分
31、由原动机带动作单向等速运转，用直流控滑差电机的主动部分由原动机带动作单向等速运转，用直流控制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。其机械特性较分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。其机械特性较软，调速范围不大，低速性能较差，但控制线路简单。软，调速范围不大，低速性能较差，但控制线路简单。 6.步进电机步进电机 按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。其中反应式结构简单，按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。其中反应式结构简单，用得较为普遍。目前工业上多用于小功率场合，步进电机特别用得较为
32、普遍。目前工业上多用于小功率场合，步进电机特别适合于增量控制，在机床进刀系统中广泛采用。适合于增量控制，在机床进刀系统中广泛采用。 7.力矩电机力矩电机 力矩电机分直流和交流两种。它在原理上与他激直流电机和两力矩电机分直流和交流两种。它在原理上与他激直流电机和两相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适合于相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适合于低速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此低速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此它可以直接与控制对象相联而不需减速装置。它可以直接与控制对象相联而不需减速装置。乳松涪缘肯琐叫赘敏抵驴秤慢值氢瑞赛涂炽象刚
33、浮别缅畸巩褒虾十值扁舍伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 8.直流无刷电动机直流无刷电动机 直流电动机的优点是机械特性和调节特性的线性度好，堵转转直流电动机的优点是机械特性和调节特性的线性度好，堵转转矩大矩大(力矩电机力矩电机)，控制方法简单，其缺点是有换向器和电刷。，控制方法简单，其缺点是有换向器和电刷。 两相伺服电动机的优点是没有换向器和电刷，缺点是机械特性两相伺服电动机的优点是没有换向器和电刷，缺点是机械特性和调节特性具有严重的非线性，转矩小，效率低。和调节特性具有严重的非线性，转矩小，效率低。 两者的结合，在现今已得以实现。两者的结合，在现今已得以实现。 这种电动机用电子换向开关
34、电路和位置传感器代替电刷和换向这种电动机用电子换向开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，这使直流无刷电动机既具有直流电动机的机械特性，调节特器，这使直流无刷电动机既具有直流电动机的机械特性，调节特性，又具有交流电动机的维护方便，运行可靠、没有电磁干扰等性，又具有交流电动机的维护方便，运行可靠、没有电磁干扰等优点。优点。 缺点是：结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转缺点是：结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转矩波动大，低速时转速的均匀性差。控制用无刷直流电动机包括矩波动大，低速时转速的均匀性差。控制用无刷直流电动机包括无刷直流伺服电动机和无刷直流力矩电动机。无刷直流伺服电动机
35、和无刷直流力矩电动机。 绎寄线堕澈锦穿内姆在挛眼匪竖妥岩杂党奴周咸辩审蹲擅屉危概搬房暗毖伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 二、伺服电动机的选择二、伺服电动机的选择 1、基本依据基本依据 （1）典型负载）典型负载 干摩擦力矩干摩擦力矩 Mc= Mc sign (Nm) 惯性力矩惯性力矩 ML=J=J(d/dt) J=J(d/dt) (Nm) 粘性摩擦力矩粘性摩擦力矩 M = 2N (Nm) 重力力矩重力力矩 M G = GL (Nm) 弹性力矩弹性力矩 M K = K (Nm) 风阻力矩风阻力矩 Mf = f (Nm) （2）描述与定量分析）描述与定量分析 典型典型负载与其运与其运动参数
36、（参数（ ）有关，若）有关，若对象运象运动有有规律，律，则可用可用简单数学形式来描述；数学形式来描述； 多数被控多数被控对象的运象的运动形形态是随是随记得，工程采用近似方法，得，工程采用近似方法，选取有代表性的工况作定量分析；取有代表性的工况作定量分析；另子志才患玄俩准户寄窑误兼否咱茸劣碱淤染痪耐付嘱腆冰舆膳搏苟创逻伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案长期运行电机发热状态长期运行电机发热状态短时超载短时超载系统极限运动的承载能力系统极限运动的承载能力根据动态性能要求检验电机的响应能力根据动态性能要求检验电机的响应能力 被控对象运动与电机运动是同时进行的，既要克服对象的负被控对象运动与电机运
37、动是同时进行的，既要克服对象的负载，也要克服电机自身的负载。载，也要克服电机自身的负载。 （3）铭牌定量牌定量计算方法算方法 产品品单位要用国位要用国际单位位统一。一。 a)力矩力矩电机机 产品参数，以品参数，以LY系列永磁力矩系列永磁力矩电机目机目录为例例输出参数：出参数：峰峰值堵堵转力矩力矩Mmbl、最大空、最大空载转速速nm0(对应Um的的实 际空空载转速速)、连续堵堵转力矩力矩Mcbl；输入参数：输入参数：峰峰值堵堵转电流流Imbl、峰、峰值堵堵转电压Um、连续堵堵转电流流 Icbl和和电压Uc；电机参数：机参数：电势系数系数Ce、转子子转动惯量量Jr、电磁磁时间常数常数Ti朔契委类隆
38、苍呕施匣顶青髓峪侮九珐茵悬师翟履皿签谊怜琉比楚澎帮枯姬伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案计算公式计算公式旋酸勉龄第浅讽鹅楚敬至鄙戊礼簿俄踩糙勘煎弯淌恤墟沙闻猾次蘸脏恢暑伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 b)直流伺服直流伺服电机机输出参数：出参数：额定定转矩矩MR、额定定转速速nR、额定功率定功率PR；输入参数：输入参数：电枢枢电流流IR、电枢枢电压UR、激磁、激磁电流流If和和电压Uf；电机参数：机参数：电枢枢转动惯量量Jr、或、或转子子飞轮转矩矩计算公式算公式陵店握丽僳枚哨润搬格脐您甲爽很炉蝉挨停拽橡踢婶铱胜守眷恨翰卤踊师伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 c)两相异步两
39、相异步电机机输出参数：出参数：堵堵转转矩矩Mbl、空、空载转速速n0、额定定输出功率出功率PR；输入参数：输入参数：频率频率f、 堵堵转电流流Ibl、 额定控制定控制电压UR、 激磁激磁电压Uf、 每相每相输入功率入功率P；电机参数：机参数：电机机时间常数常数Tm、极、极对数数计算公式算公式犊跺茸迭坍层绸饺搪麓竹瞎闪握旗感奋慕态抬遭拥驼乔姚乱惺唇碰垂兄栗伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 2、单轴传动执行电机选择、单轴传动执行电机选择 电机与负载直接对接（无减速器）电机与负载直接对接（无减速器）例例1：探测器方位角跟踪系统探测器方位角跟踪系统照氖荆素善几重魔蚊滔洁随懦响疤豪箕罕碑诧掘尤雕
40、靳郡盟银殴谊园呼票伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案迭作祭臂简滴匣揉绎例猪铝痢脊刽翘讳话勇搔膀怠惜秘抖既米缚能沤伴咳伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案秽阀兹邢嘎砖怂颇佩楚前奏柠筛芽倍裸太忧清领脯泉搔帛谓似熏送皮姓属伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案界甥吞铆得脐竹辞甲粪棋僻迂狼言泽稻橡绵假瘦毒靴讹警潭君截氛朝暴蛔伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 例例2 小车在钢轨上运动，需要电机驱动，已知小车在钢轨上运动，需要电机驱动，已知: 小车满载重量：小车满载重量： G=500N，车轮半径：，车轮半径：R=0.2m 轨迹滚动摩擦系数：轨迹滚动摩擦系数：f=0.002要求：车速可逆
41、，要求：车速可逆，vm=1.2m/s，am=0.2m/ss 系统最大误差：系统最大误差：m0.1m零初始状零初始状态，1(t)作用，作用，ts 3s，选电机直接驱动。，选电机直接驱动。解解（1）转换）转换 直线运动转换为旋转运动直线运动转换为旋转运动玲奢补蛰鹤宾品诡林扁砚寞撞述前普咀爷姥溪辅蛛稚丙焦屯必午废蜀娶勃伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 （2）选电机）选电机 160LY55 直接连接，参数如下直接连接，参数如下:疤琵晶丽嚣苗弯吩丰强哩拈熏昨吟贸膀舷婴枪杨霜逮疤极索伶戍贞斗承搀伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 （3）校验）校验检验发热温升检验发热温升没有提出最大加速度要求
42、，只在误差范围内考虑。没有提出最大加速度要求，只在误差范围内考虑。动态性能（带宽）动态性能（带宽）粱万这十晨泌壳曙囱孺棺位凤弄勇独戊曙寒炮猎蝎害庞纯底泳神奶湿抵烘伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案在不增大电机外径的前提下，重新选电机。在不增大电机外径的前提下，重新选电机。160LYX懂沿惋汽座会无碍弧滓缸撂鹅检律麦哗脂跟匣伪酋胞瞅劣挟倾淖棠砾拈谜伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 3、多轴传动执行电机选择、多轴传动执行电机选择 m/ L=i1，力矩关系：，力矩关系：1/(i) 其中其中589.2w输入参数：输入参数：电枢枢电流流IR=8.2A ; 电枢枢电压UR=110V; 电压U
43、f=220V电机参数：机参数：转子子飞轮转矩矩 =0.053 可得可得: 电枢枢转动惯量量Jr= /4=0.01325估算：估算：沸谐搬轨垒阳汀辐西岩沮肌契远候实移靛流噶瞪婿钩妈蔽目窥米缝色微庞伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 传动比传动比传动装置采用三级圆柱齿轮和一级涡轮蜗杆传动，总效率为传动装置采用三级圆柱齿轮和一级涡轮蜗杆传动，总效率为: 因为电机功率小，取传动转动惯量因为电机功率小，取传动转动惯量Jp=0.1Jr=0.001325 (3)验证验证 温升发热验证：温升发热验证：众袄彝蔑宋岿星厦涟烽嚼绪赵跑猾乾雍折懂又邹慎朴祥惫速嘘奋溪揽振抛伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案
44、短时极限承受力验证短时极限承受力验证:动态频带验证动态频带验证: 庸惨茂富痕无条九伍趣笼吉臣效椭僧顶敖酶或财匠耙挣廷漂瓜钓助敛江陪伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案例例4 小功率伺服系统，已知小功率伺服系统，已知:解解: (1)单位换算单位换算 (2)初选电机初选电机棕眠应匝缅驻诗痴诀间拔舆垣接蝎坯役概惫搬搐恃墨吼殷腥蓄讼田舞堂四伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 选f=400Hz两相异步两相异步电机机70sL01，其参数如下，其参数如下:输出参数：出参数：堵堵转转矩矩Mbl=1000gcm=0.098Nm 空空载转速速n0=4800r/min=502.6rad/s 额定定输出功率
45、出功率PR=16w9.54w输入参数：输入参数：频率频率f=400Hz、额定控制定控制电压UC=115V 激磁激磁电压Uf=115v、激磁、激磁电流流If=1.1A电机参数：机参数：电机机时间常数常数Tm=25ms=0.025s可求得可求得;乏筏凿墨暂赛信惦蚁所滑矗浙食墓昼郊妓盏债俱陌稿死它远髓敞寨闯部容伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案传动比传动比传动装置采用四级圆柱齿轮传动，总效率为传动装置采用四级圆柱齿轮传动，总效率为: 取传动转动惯量取传动转动惯量Jp和测速发电机和测速发电机Jc 折合到电机后，总转动惯量为折合到电机后，总转动惯量为 (3)验证验证 温升发热验证：温升发热验证：笋
46、梢册逸圃秦腮谐笨挠炬沧付拈存常丑寐疮骸垂十段谩仅跺效基啸硷珐彭伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案短时极限承受力验证短时极限承受力验证:动态频带验证动态频带验证: 抡缅了瞅残廓谗梨涡来坡福钦痞疑校宛粟足契薪丝什音芍赤士邯咎吊婴败伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案伺服检测装置的选择伺服检测装置的选择 在伺服系统中，测量装置的作用是产生一个与被检测量等效的在伺服系统中，测量装置的作用是产生一个与被检测量等效的电信号电信号(如直流电流、直流电压等如直流电流、直流电压等)，以控制系统工作。，以控制系统工作。在信号的变化过程中，测量装置会给伺服系统带来误差。测量在信号的变化过程中，测量装置会给
47、伺服系统带来误差。测量装置自身的精度或分辩率对整个伺服控制系统精度的关系很大。装置自身的精度或分辩率对整个伺服控制系统精度的关系很大。对测量装置的主要要求：对测量装置的主要要求：(1)精度高，不灵敏区小，其误差比整个系统允许误差小得多；精度高，不灵敏区小，其误差比整个系统允许误差小得多；(2)被测量与电输出信号之间在给定工作范围内具有线性关系；被测量与电输出信号之间在给定工作范围内具有线性关系；(3) 要求输出信号中所含干扰成分要小；要求输出信号中所含干扰成分要小；(4)输出信号应能在所要求的频带内准确地复现被测量，尽量避输出信号应能在所要求的频带内准确地复现被测量，尽量避免储能元件造成的动态
48、滞后；免储能元件造成的动态滞后；(5)机电测量装置自身的转动惯量要小，摩擦转矩要小；机电测量装置自身的转动惯量要小，摩擦转矩要小；(6)测量装置输出的功率应足够高，以便能够不失真地传递信号测量装置输出的功率应足够高，以便能够不失真地传递信号和作进一步的信号处理；和作进一步的信号处理；似径闺廷找抗梭壳肃阑疆厩亲貉冗伴互筛休曙效彤正镣冲付孺挥丙赊哦兰伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 一、调速系统测量装置的选择一、调速系统测量装置的选择 调速系统需要测速反馈，测量输出角速度调速系统需要测速反馈，测量输出角速度并转换为对应的电并转换为对应的电压信号，反馈回去与输入信号进行比较。压信号，反馈回去
49、与输入信号进行比较。 要求测速元件低速输出稳定，纹波小，线性度好。要求测速元件低速输出稳定，纹波小，线性度好。 模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机 数字式测速元件，采用光电式脉冲发生器数字式测速元件，采用光电式脉冲发生器(亦称增量编码器亦称增量编码器) 介绍直流测速发电机，数字测速的原理和基本要求以及频率介绍直流测速发电机，数字测速的原理和基本要求以及频率/电压电压(F/V)变换器。变换器。 1、模拟测速元件、模拟测速元件直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机的型式直流测速发电机的型式:永磁式、他励式永磁式、他励式伺服系统对直流测速发电机的要求伺
50、服系统对直流测速发电机的要求 a.输出电压和转速的特性线性度要好；输出电压和转速的特性线性度要好； b.输出特性的斜率要大；输出特性的斜率要大； c.温度变化对输出特性的影响要小；温度变化对输出特性的影响要小； d.输出电压的纹波要小；输出电压的纹波要小； e.输出特性的对称性要一致。输出特性的对称性要一致。 内棕宫钎白潞赖纶店馏玛对潍格剥钾适瓤办果弹福虎搭芒溺弦焰律椰早保伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案直流测速发电机的误差因素直流测速发电机的误差因素 理想的测速发电机其输出电压理想的测速发电机其输出电压Ug与其转轴的角速度与其转轴的角速度成正比成正比 Ug=Kg直流测速发电机的输出信
51、号直流测速发电机的输出信号Ug中，包含有纹波分量或无用信号中，包含有纹波分量或无用信号Un(rip)(t)，称为测速发电机的噪声。它由以下的各种因素所引起：，称为测速发电机的噪声。它由以下的各种因素所引起： 换向纹波换向纹波 是构成测速发电机噪声的主要部分，它由测速发电是构成测速发电机噪声的主要部分，它由测速发电机电刷和换向器之间相对运动引起的。在低速时影响尤为明显。机电刷和换向器之间相对运动引起的。在低速时影响尤为明显。 电枢偏心电枢偏心 它产生周期性的有害信号，其基波频率等于测速发它产生周期性的有害信号，其基波频率等于测速发电机的角频率。频率相对比较低，对系统是有害的。与换向纹波电机的角频
52、率。频率相对比较低，对系统是有害的。与换向纹波相比，通常是较小的。相比，通常是较小的。 高频噪声高频噪声 对噪声对噪声Un(rip)(t)影响的第三个因素是高频噪声或称影响的第三个因素是高频噪声或称“白噪声白噪声”。它主要的是电磁感应引起的。因为信号频率较高，。它主要的是电磁感应引起的。因为信号频率较高，可可以滤除掉，对系统影响不大以滤除掉，对系统影响不大。 或赛钳攘磐徒黔烘啄尽迷檄若抑斋才幢吻喇咐腊缚嫌犊冬笛郡佩餐俱护郎伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案直流测速发电机反馈的速度伺服系统测量装置的选择直流测速发电机反馈的速度伺服系统测量装置的选择 Kr代表速度给定电位器的转换系数，系统传
53、递系数代表速度给定电位器的转换系数，系统传递系数K为为 缆菲狂今叮瓤教建逃漓仔癌桑进窝裁完陨捐站虾铰恋抠导租哨馏京温钠侈伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 测速发电机的线性关系测速发电机的线性关系 低速时电动势小，输出有低速时电动势小，输出有“死区死区”。 根据输出斜率根据输出斜率KF和电刷接触压降和电刷接触压降Ud，可估算，可估算u f=f()特性的不灵敏特性的不灵敏区区dead=ud/KF。 选择时，应使不灵敏区选择时，应使不灵敏区deadmin 选定以后，选定以后，KF为已知值。可按稳态为已知值。可按稳态要求求出需要的增益要求求出需要的增益K值。一般值。一般K值比稳态要求的要高一些
54、。值比稳态要求的要高一些。 K确定后，当系统输出达到最大速度确定后，当系统输出达到最大速度max时，需要的最大输时，需要的最大输入信号入信号Uimax为为 Uimax=KFmax+max/K 系统可逆运行时，给定电位器最大输出电压应等于系统可逆运行时，给定电位器最大输出电压应等于Uimax，则电位器的电源电压则电位器的电源电压UgUimax。 选择给定电位器和测速发电机要注意负载能力，使负载引起选择给定电位器和测速发电机要注意负载能力，使负载引起的非线性效应最小。的非线性效应最小。 址钦砌帖仟颁份嗜社形木铜剑彻渍信丰砍深钡疲涤卿算晾惕琴缔氖敢烟帧伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 2、数
55、字测速元件、数字测速元件光电脉冲测速机光电脉冲测速机 数字测速元件是由光电脉冲发生器及检测装置组成。它们具数字测速元件是由光电脉冲发生器及检测装置组成。它们具有低惯量、低噪声、高分辩率和高精度的优点。脉冲发生器连接有低惯量、低噪声、高分辩率和高精度的优点。脉冲发生器连接在被测轴上，随着被测轴的转动产生一系列的脉冲，检测装置对在被测轴上，随着被测轴的转动产生一系列的脉冲，检测装置对脉冲进行比较，获得被测轴的速度。有电磁式和光电式两种。脉冲进行比较，获得被测轴的速度。有电磁式和光电式两种。 原理（增量式光电编码器）原理（增量式光电编码器） 卉判禾享俗韵冻袍侥羞窑县棋瞬纫开伯果烦咙契病溯镁迂匪山倒样
56、忠腺副伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案基本要求基本要求 高分辩率高分辩率 分辩率表征测量装置对转速变化的敏感度，当测量数值改变，分辩率表征测量装置对转速变化的敏感度，当测量数值改变，对应转速由对应转速由n1变为变为n2，则分辩率，则分辩率Q定义为定义为 Q=n2-n1 (r/min) Q值愈小，测量装置对转速变化愈敏感，亦即其分辩率愈高。值愈小，测量装置对转速变化愈敏感，亦即其分辩率愈高。 高精度高精度 精度表示偏离实际值的百分比，即当实际转速为精度表示偏离实际值的百分比，即当实际转速为n、误差为、误差为n时的测速精度为时的测速精度为 e%=(n/n)100%影响测速精度的因素有：光电
57、测速器的不同心度制造误差和脉冲影响测速精度的因素有：光电测速器的不同心度制造误差和脉冲计数时计数时1个脉冲的误差。个脉冲的误差。 短的检测时间短的检测时间 检测时间，即两次速度连续采样的间隔时间检测时间，即两次速度连续采样的间隔时间T。T愈短，愈有愈短，愈有利于实现快速响应。利于实现快速响应。 讽粒重廉震袋祖增姑唬靳妈褒锤棍氟唆畜柑窘单年矾互堡磺急迅洁包虏印伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案数字测速方法数字测速方法 脉冲计数测量转速方法有三种：脉冲计数测量转速方法有三种：M法、法、 T法、法、 M/T法法 M法测速法测速 在规定的时间间隔在规定的时间间隔Tg内，测量所产生的脉冲数来获内，
58、测量所产生的脉冲数来获得被测速度值，这种方法称为得被测速度值，这种方法称为M法。设脉冲发生器每转一圈发出法。设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为的脉冲数为P，且在规定的时间，且在规定的时间Tg(秒秒)内，测得的脉冲数为内，测得的脉冲数为m1，则电机每分钟转数：则电机每分钟转数： nM = 60m1/(PTg) (r/min)技术指标：技术指标：Q值与转速无关，计数值值与转速无关，计数值m1变化变化1，在任何转速下所对应的转速，在任何转速下所对应的转速值增量均等。转速很小时，值增量均等。转速很小时，Tg内脉冲少，则测出的速度不准确。内脉冲少，则测出的速度不准确。欲提高分辩率，可提高欲提高分辩率，可
59、提高P，或者增加，或者增加Tg。石酣郑剃褒壹玲岂台复呻恃沧乓屡邀笛丹映尝叫谰加修疮号邹掘溺迸貌稼伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 测量精度测量精度 测量过程有测量过程有1个脉冲的检测误差，则相对误差为个脉冲的检测误差，则相对误差为1/m1。转速增加，。转速增加，m1增大，相对误差减小，增大，相对误差减小，M法适用高速测量。法适用高速测量。 检测时间检测时间 T=Tg=60/(PQ) 在保持一定分辩率的情况下，缩短检测时间唯一的办法是改用在保持一定分辩率的情况下，缩短检测时间唯一的办法是改用P值大值大(转盘刻线密度大或透光孔多转盘刻线密度大或透光孔多)的光电脉冲发生器。的光电脉冲发生器。
60、 T法测速法测速 测量相邻两个脉冲的时间来确定被测速度的方法叫测量相邻两个脉冲的时间来确定被测速度的方法叫做做T法测速。法测速。 方法：用一已知频率方法：用一已知频率fc的时钟脉冲向一计数器发送脉冲，此计的时钟脉冲向一计数器发送脉冲，此计数器由测速脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。若该计数器数器由测速脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。若该计数器的读数为的读数为m2，则电机每分钟的转数为，则电机每分钟的转数为 nM = 60fc/(Pm2) (r/min)调钓乓中妆噎坷秆误兰邓炙岛怒垛女逢杜况簇疯侩蟹冒叛哨危冕这位纂浇伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 T法测速的技术指标：法测速的技术
61、指标： 转速转速nM升高，升高，Q值增大，转速愈低，值增大，转速愈低，Q值愈小，亦即值愈小，亦即T法测速法测速在低速时有较高的分辩率。在低速时有较高的分辩率。 测速精度测速精度 光电脉冲发生器制造误差为光电脉冲发生器制造误差为ep%，导致测速的绝对，导致测速的绝对误差随着转速的升高而增加。误差随着转速的升高而增加。例如例如ep%=10%，当，当nM=100r/min,nM=10r/min； 当当nM=1000r/min,nM=100r/min。 另外，时钟脉冲另外，时钟脉冲m2计数时，总有一个脉冲的误差，由此造成的计数时，总有一个脉冲的误差，由此造成的相对误差为相对误差为1/m2。随着转速。随
62、着转速nM增加，增加，m2计数值减小，此项误差计数值减小，此项误差也随之增大。也随之增大。T法在低速时有较高的精度和分辩率，适合于低速法在低速时有较高的精度和分辩率，适合于低速时测量。时测量。 叔召额答雾茨脖甚厦寝馋警纪零碉攘扩氮惑奏筷漾垣砷豺蜜光圭倦烩壳跳伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 检测时间检测时间 T等于测速脉冲周期等于测速脉冲周期Ttach，即，即 T=Ttach=60/(nMP) 可见，随着转速的升高，检测时间将减小。确定检可见，随着转速的升高，检测时间将减小。确定检测时间的原则是：即要使测时间的原则是：即要使T尽可能短，又要使计算机尽可能短，又要使计算机在电机最高速运行
63、时有足够的时间对数据进行处理。在电机最高速运行时有足够的时间对数据进行处理。 时钟脉冲时钟脉冲fc的确定的确定 fc愈高，分辩率愈高，测速精度愈高，分辩率愈高，测速精度愈高；但愈高；但fc过高又使过高又使m2过大，使计数器字长加大，影过大，使计数器字长加大，影响运算速度。响运算速度。 确定方法：根据最低转速确定方法：根据最低转速n Mmin和计算机字长设计出和计算机字长设计出最大计数最大计数m2max，有：，有： fc =n MminPm2max/60 歌蛀庇撒矿汉踩共燕珊烬翠雅拖羌烬馋桶哆鸵鹤姑咙锁偏意问嵌史摧汐建伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 M/T法测速法测速 同时测量检测时间
64、和此时间内脉冲发生器发送的同时测量检测时间和此时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速。用规定时间间隔脉冲数来确定被测转速。用规定时间间隔Tg以后的第一个测速脉以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，由计数器示数冲去终止时钟脉冲计数器，由计数器示数m2来确定检测时间来确定检测时间T。 藕矾帅北斋伴玩惑添胀淋港夹啮农彤汞斜弦合侧无令闽址正夫肾仓寻片神伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 注意，上中的注意，上中的60fc/P项是常数，在检测时间项是常数，在检测时间T内，分别计取测内，分别计取测速脉冲速脉冲ftach和时钟脉冲和时钟脉冲fc的脉冲个数的脉冲个数m1和和m2，即可计算出电机转，
65、即可计算出电机转速值。计取速值。计取Tg时间内的测速脉冲时间内的测速脉冲ftach的个数相当于的个数相当于M法，而计取法，而计取T时间内参考时钟脉冲时间内参考时钟脉冲fc的个数的个数m2相当于相当于T法，所以该测速方法兼法，所以该测速方法兼有有M法和法和T法的优点，在高速和低速段均可获得较高分辩能力。法的优点，在高速和低速段均可获得较高分辩能力。 性能指标：性能指标： 分辩率分辩率 由于由于Tg定时和定时和m1计数同时开始，计数同时开始，m1无误差。由无误差。由m2变变化化1时，分辩率时，分辩率Q为为 框咆元潮剖块诱废柏纸佃帜镊创泰怔滨恢货嘴佃羚买毕靠迭独疼辕场尊锰伺服系统稳态设计方案伺服系统
66、稳态设计方案 测速精度测速精度 用用eP(%)表示测速脉冲周期表示测速脉冲周期Ttach不均匀误差，因该误不均匀误差，因该误差不累积，计取差不累积，计取m2时只在最后一个周期内对时只在最后一个周期内对m2产生影响，同时产生影响，同时考虑考虑m2可能产生可能产生1的误差，由此引起测速误差的误差，由此引起测速误差etach(%)为为参数选择参数选择： 时钟脉冲频率时钟脉冲频率fc的选取的选取 测速规定时间测速规定时间Tg的选择的选择 在性能指标允许的条件下，尽可能选取小的在性能指标允许的条件下，尽可能选取小的Tg值。值。氖妄慧翻仟杜酱暂盂心整镶忿十玄腋畸梗单歌耽睛房汇股绰勃脑胜羡芝假伺服系统稳态设
67、计方案伺服系统稳态设计方案 数字测速方法评价数字测速方法评价 对分辩率而言对分辩率而言 T法测速时较高，随着速度的增大，分辩率变法测速时较高，随着速度的增大，分辩率变坏；坏；M法则相反，高速时较高，随着速度降低，分辩率变差；法则相反，高速时较高，随着速度降低，分辩率变差；M/T法的法的Q/nM是常数，与速度无关，因此它比前两种方法都好。是常数，与速度无关，因此它比前两种方法都好。 从测速精度上看从测速精度上看 以以M/T法为佳。法为佳。 考虑检测时间考虑检测时间，在标准的在标准的M法中，法中，T=Tg，与速度无关；在，与速度无关；在T法法中，因为取测速脉冲的间隔时间中，因为取测速脉冲的间隔时间
68、Ttach作为检测时间，因而，随着作为检测时间，因而，随着速度的增大而减小；速度的增大而减小；M/T法检测时间相对前两种方法是较长的，法检测时间相对前两种方法是较长的，但是若稍微牺牲一点分辩率，选择分辩率在最低转速时仍使但是若稍微牺牲一点分辩率，选择分辩率在最低转速时仍使m1=56个脉冲，便可使检测时间几乎与个脉冲，便可使检测时间几乎与M法相同法相同(TTg)。 另外，速度控制系统的响应决不仅仅是由检测时间确定，还另外，速度控制系统的响应决不仅仅是由检测时间确定，还与功率转换电路、电动机的特性以及负载情况有关。因此，检与功率转换电路、电动机的特性以及负载情况有关。因此，检测时间的选取，应视具体
69、系统的要求而定。但对快速响应要求测时间的选取，应视具体系统的要求而定。但对快速响应要求比较高的系统来说，检测时间的影响是不容忽视的。比较高的系统来说，检测时间的影响是不容忽视的。 滚疵煮娘捆郭卿尿菌优有侗骡京贺熄涕押给兔院症抑柱镍孩恩体网曰娜琼伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 光电脉冲测速检测装置的选择光电脉冲测速检测装置的选择 允许忽略由采样引起的相位移的条件是允许忽略由采样引起的相位移的条件是 tachmin10带宽带宽(rad/s)式中式中tachmin消除采样数据相位移所允许的测速器频率。消除采样数据相位移所允许的测速器频率。 在已知系统阶跃输入信号作用下的响应时间在已知系统阶
70、跃输入信号作用下的响应时间ts情况下，系统情况下，系统开环截止频率开环截止频率c(c(6-10)/ts)近似求得。若把近似求得。若把c的值作为系的值作为系统闭环的带宽，则有统闭环的带宽，则有 tachmin10c 光电测速器输出信号的频率为光电测速器输出信号的频率为 ftach=Nn/60=N/2 （N圆盘刻线密度；圆盘刻线密度；n转速）转速）可得：可得： tachmin =Nn min /30有：有： N300c/（nmin） 表示了带宽表示了带宽c、每分钟最低转速、每分钟最低转速nmin及圆盘密度及圆盘密度N三者之间三者之间极重要的辅助关系，它是选择光电测速器的基本依据。极重要的辅助关系，
71、它是选择光电测速器的基本依据。 喊鬼痈噬敢纶漂俭蜕抢奸躁勃呕疤蚁谁外疆惫猴雄芦吨龋浓迅孟顾坞堂黎伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 二、随动系统检测装置的选择二、随动系统检测装置的选择 位置控制系统测量装置通常采用的有圆环形旋转电位器、自整位置控制系统测量装置通常采用的有圆环形旋转电位器、自整角机角机(同步机同步机)、旋转变压器、旋转变压器(解算器解算器)、码盘、感应同步器。、码盘、感应同步器。 采用电位器作角度测量和角度同步传输是常用的一种方法。选采用电位器作角度测量和角度同步传输是常用的一种方法。选用电位器测量角度或传输角度，有滑动接触，容易造成磨损，而用电位器测量角度或传输角度，有
72、滑动接触，容易造成磨损，而且可能出现温差电动势，影响测量精度。且可能出现温差电动势，影响测量精度。 要求较高的系统中，多采用非接触式的角度测量和传输装置要求较高的系统中，多采用非接触式的角度测量和传输装置自整角机和旋转变压器。（略）自整角机和旋转变压器。（略） 庶匀累咆烤参旨靳整漱躁噬筛留抗契隶滞风洱铭艘贰您淀溢巳阳嘉席忿脯伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案放大装置选择放大装置选择 在大中功率系统中，广泛应用了直流发电机、交磁机、磁放大在大中功率系统中，广泛应用了直流发电机、交磁机、磁放大机、晶闸管放大器、液压放大器等。在中小功率系统中，晶体管机、晶闸管放大器、液压放大器等。在中小功率系
73、统中，晶体管功率放大器得到广泛应用。晶体管功率放大器具有体积小、无噪功率放大器得到广泛应用。晶体管功率放大器具有体积小、无噪声、无惯性、使用方便等特点。声、无惯性、使用方便等特点。 一、基本要求及设计内容一、基本要求及设计内容 基本要求：基本要求：放大装置的功率输出级必须与所选执行电机相匹配放大装置的功率输出级必须与所选执行电机相匹配 实现对控制信号的功率放大，必须输出足够的功率驱动执行电实现对控制信号的功率放大，必须输出足够的功率驱动执行电机（电压、电流），并满足电机短时过载和超速运行以及突然反机（电压、电流），并满足电机短时过载和超速运行以及突然反向制动的工况。一般说来，功率放大器的电压输
74、出幅值应能达到向制动的工况。一般说来，功率放大器的电压输出幅值应能达到电机额定电压的电机额定电压的1.2倍。中小型直流电机，起动电流是额定电流的倍。中小型直流电机，起动电流是额定电流的2.55倍，功率放大器的输出电流是电机额定电流的倍，功率放大器的输出电流是电机额定电流的2.55倍。倍。交流电机，由于其电流过载很小，只需考虑电压有过载能力。交流电机，由于其电流过载很小，只需考虑电压有过载能力。委谗金尾嗅柠抄管拖握理浮抚垛帧蓄椭韦召然侧铡泽斜巩拎赞旺枝毯甩胳伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案放大装置功率输出级输出阻抗要小、效率要高放大装置功率输出级输出阻抗要小、效率要高 在执行元件是直流电
75、机的情况下，放大器的输出阻抗是电枢在执行元件是直流电机的情况下，放大器的输出阻抗是电枢回路总电阻的一部分。如果放大器的输出阻抗不能做得很小，则回路总电阻的一部分。如果放大器的输出阻抗不能做得很小，则机电时间常数必然要加大，这就使得电机反应速度变慢。因此，机电时间常数必然要加大，这就使得电机反应速度变慢。因此，应当尽量减小功率放大器的输出阻抗。一个有效的办法是引入电应当尽量减小功率放大器的输出阻抗。一个有效的办法是引入电压负反馈。压负反馈。 只要加大电压负反馈的深度，就可以无限度地减小放大器的只要加大电压负反馈的深度，就可以无限度地减小放大器的输出阻抗。但实际上，由于放大器存在惯性，电压负反馈过
76、深，输出阻抗。但实际上，由于放大器存在惯性，电压负反馈过深，可能导致动态品质变坏。因此，合适的负反馈深度以减小输出阻可能导致动态品质变坏。因此，合适的负反馈深度以减小输出阻抗，改善放大器的非线性，克服元件参数变化的影响，并改善动抗，改善放大器的非线性，克服元件参数变化的影响，并改善动态品质。态品质。余剐境爽游腻页晨湖令黔诈秧臭恿渠庐捣式啸陆先叠宠峙扳扰哥彤收措褂伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案功率放大装置应有足够的线性范围功率放大装置应有足够的线性范围 功率放大器是末级放大，最可能出现饱和。过早地出现饱和，将功率放大器是末级放大，最可能出现饱和。过早地出现饱和，将使功率放大器等效内阻增
77、大，输出特性变坏，等效时间常数增大。使功率放大器等效内阻增大，输出特性变坏，等效时间常数增大。放大装置的通频带至少应是系统带宽的放大装置的通频带至少应是系统带宽的5倍以上倍以上 功率放大器本身的频带应大大高于系统的频带，使其时间常数成功率放大器本身的频带应大大高于系统的频带，使其时间常数成为小参数，否则将使系统的阶数增高，影响系统的动态品质。为小参数，否则将使系统的阶数增高，影响系统的动态品质。放大装置的输入级要和测量元件的输出阻抗相匹配放大装置的输入级要和测量元件的输出阻抗相匹配 放大装置的不灵敏区比测量元件的失灵区要小，输入级的精度要放大装置的不灵敏区比测量元件的失灵区要小，输入级的精度要
78、高，还要进行温漂的核算。高，还要进行温漂的核算。放大装置需根据不同的执行元件有相应保护措施放大装置需根据不同的执行元件有相应保护措施 当系统执行电机为直流力矩电机或其它永磁式直流电机时，放大当系统执行电机为直流力矩电机或其它永磁式直流电机时，放大装置输出级应有限流保护防止电流过载。装置输出级应有限流保护防止电流过载。放大装置提供一定的制动条件以提高系统效率放大装置提供一定的制动条件以提高系统效率对电机功率在对电机功率在500W以上，经常可逆运行的系统，要求放大装置以上，经常可逆运行的系统，要求放大装置输出级能提供电机发电制动条件，以提高整个系统的效率。输出级能提供电机发电制动条件，以提高整个系
79、统的效率。有哄柴塌菲竞叫震屠招锦卡悦醚煞者哺泡吐双苔牡苞婪疙殃益庚闯锈景贱伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案 放大装置的放大倍数确定及设计放大装置的放大倍数确定及设计 确定放大装置的放大倍数可根据系统对静差和稳态跟踪误差的确定放大装置的放大倍数可根据系统对静差和稳态跟踪误差的要求来进行。要求来进行。用静差来确定放大倍数用静差来确定放大倍数 设系统允许的静差为设系统允许的静差为ej，测量元件的误差为，测量元件的误差为ec，则其余的静差，则其余的静差部分是其它的元件所产生。放大器应在部分是其它的元件所产生。放大器应在(ej-ec)/2的信号输入下使的信号输入下使输出达到电机的额定电压输出达到
80、电机的额定电压UMR。实际上，只需输出一个电压克服。实际上，只需输出一个电压克服电机失灵区并能供给电机一定电压去克服负载中的摩擦力矩即电机失灵区并能供给电机一定电压去克服负载中的摩擦力矩即可。确定总放大倍数的上限值，即可。确定总放大倍数的上限值，即 Kmax=2UMR/(ej-ec)用等速跟踪误差用等速跟踪误差ev来确定放大倍数来确定放大倍数 系统以最大角速度跟踪输入，这时允许的等速跟踪误差为系统以最大角速度跟踪输入，这时允许的等速跟踪误差为ev。则放大装置应在误差信号则放大装置应在误差信号ev的输入下，使输出达到电机额定电压的输入下，使输出达到电机额定电压UMR，这样就确定了放大倍数的下限值
81、，即，这样就确定了放大倍数的下限值，即 Kmin= UMR/ev骡俯旨茨身匣堪颤指硷蜡欣痹挠讫斡握尉屠忽怂单征躯殿瞳彝啪芋鄙献修伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案放大倍数的分配要从后向前逐级提高，精度也从后向前逐放大倍数的分配要从后向前逐级提高，精度也从后向前逐级提高，并在第一级放大器留有动态校正的余地。级提高，并在第一级放大器留有动态校正的余地。查阅典型线路作为参考，进行具体设计。要注意放大器使查阅典型线路作为参考，进行具体设计。要注意放大器使用对象的差异，必要时加保护电路。常用的小功率直流放大器用对象的差异，必要时加保护电路。常用的小功率直流放大器有互补推挽式，桥式以及脉冲调宽式有互
82、补推挽式，桥式以及脉冲调宽式(即即PWM)；交流放大器；交流放大器有推挽式和互补推挽式。大功率电机的放大装置有晶闸管功放有推挽式和互补推挽式。大功率电机的放大装置有晶闸管功放和电机扩大机等，它们与测量元件之间仍然要用集成运算放大和电机扩大机等，它们与测量元件之间仍然要用集成运算放大器相连，这样不但能实现信息的传递，而且可方便地进行动态器相连，这样不但能实现信息的传递，而且可方便地进行动态校正和综合。校正和综合。在设计放大装置的同时，要把对电源，包括功率放大器所在设计放大装置的同时，要把对电源，包括功率放大器所用的电源和信号放大所用的稳压电源的形式用的电源和信号放大所用的稳压电源的形式(交、直流交、直流)、规格、规格(电压、电流电压、电流)以及精度确定下来，用于选择或设计电源。以及精度确定下来，用于选择或设计电源。哺棚梨观着碟扮楷终垮管撕笆礼伙但晌纵跨破乾邓截划明玫珐郎聘邀寄疆伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案唬加毋坛啊惮梅丈祷磕决赵舱串肇车晓犊鸿娟坊副只绽计肖做夏抽麓亲呵伺服系统稳态设计方案伺服系统稳态设计方案
