伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì).ppt

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1、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì),概述 伺服系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計(jì)算 伺服系統(tǒng)控制方案選擇 伺服電機(jī)選擇 伺服檢測(cè)裝置的選擇 放大裝置選擇,概 述,伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 對(duì)控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析、負(fù)載分析、執(zhí)行電動(dòng)機(jī)及傳 動(dòng)裝置的確定、測(cè)量元件的選擇、放大裝置的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算。 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)目的 確定系統(tǒng)的基本不變部分的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)果確定了系 統(tǒng)的控制能力。 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算則是在此基礎(chǔ)上使系統(tǒng)達(dá)到要求的動(dòng)態(tài)性能。包 括滿足動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性及快速性要求。 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)面更寬，需要有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。,工程定量計(jì)算的計(jì)量單位 我國(guó)計(jì)量管理規(guī)定一律采用國(guó)際單位制(SI)

2、。國(guó)內(nèi)有些產(chǎn)品銘 牌數(shù)據(jù)仍沿用工程單位制。在計(jì)算時(shí)應(yīng)統(tǒng)一換算成國(guó)際單位制。,伺服系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計(jì)算,明確了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)后，研究被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué) 特性，根據(jù)對(duì)象的具體特點(diǎn)和受載情況選擇執(zhí)行元件。 掌握了一般性研究方法后，需對(duì)負(fù)載作定量分析，根據(jù)對(duì) 象的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)建立負(fù)載和干擾模型。 一、系統(tǒng)典型負(fù)載分析 隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)都是由執(zhí)行電動(dòng)機(jī)(或液 壓、氣動(dòng)馬達(dá))帶動(dòng)被控對(duì)象做機(jī)械運(yùn)動(dòng)。其控制特性與被 控對(duì)象相聯(lián)系的動(dòng)力學(xué)特性關(guān)系極大。 被控對(duì)象能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)狀況，完全取決于系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 系統(tǒng)常見(jiàn)的負(fù)載類型有：摩擦負(fù)載、慣性負(fù)載、阻尼負(fù) 載、重力負(fù)載

3、、彈性負(fù)載以及流體動(dòng)力負(fù)載等，前兩項(xiàng)幾乎 任一系統(tǒng)均有。,1.摩擦負(fù)載 在任何機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，每一對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的接觸表面之間 都存在著摩擦。普通的現(xiàn)象，情況卻十分復(fù)雜。 在工程設(shè)計(jì)中，多采取實(shí)測(cè)的辦法，或采用手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)做 近似地估算。 從接觸表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式看，有滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)摩擦。在條 件相同的情況下，滾動(dòng)摩擦力比滑動(dòng)摩擦力小。 以接觸表面之間的潤(rùn)滑條件來(lái)看，有干摩擦、粘性摩擦(或稱濕 摩擦)和介于兩者之間的邊界摩擦(俗稱半干摩擦)。在條件相同情 況下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于兩者之間。 摩擦力Fc = fN。 摩擦系數(shù)f與法向壓力、接觸表面特性、粗糙度、溫度

4、、滑動(dòng)速 度、接觸時(shí)間等均有關(guān)。,輸出軸上承受的摩擦力矩是由系統(tǒng)整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)各部分的摩擦 作用綜合的結(jié)果。以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為例: 靜摩擦力矩最大，隨著輸出角速度的增加(01)時(shí)，摩擦力矩又 略有增加或保持不變。摩擦負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的工作品質(zhì)影響很大。 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)而言，摩擦負(fù)載影響系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)要求低速 跟蹤時(shí)，由于摩擦負(fù)載在低速區(qū)有dMc/d<0，系統(tǒng)將出現(xiàn)的低 速爬行現(xiàn)象。,2.慣性負(fù)載 物體作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)便有慣性負(fù)載產(chǎn)生。當(dāng)執(zhí)行元件帶動(dòng)被控對(duì) 象沿直線作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，被控對(duì)象存在有慣性力FL FL = - m (dv/dt) 式中m為被控對(duì)象質(zhì)量；v為運(yùn)動(dòng)速度；負(fù)號(hào)表示慣

5、性力FL的方 向始終阻止速度變化。 當(dāng)系統(tǒng)所帶的被控對(duì)象作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被控對(duì)象形成的慣性負(fù)載 轉(zhuǎn)矩為 ML = - JLd/dt 式中ML為慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩；JL為被控對(duì)象繞其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為其角速度。JL= m為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，r為繞軸半徑。 具有簡(jiǎn)單幾何形狀的質(zhì)量均勻分布的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表達(dá)式列入34 頁(yè)表3.2中。圖形較為復(fù)雜的對(duì)象可用簡(jiǎn)單形狀組合而成。 流體中作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，除自身的慣性力和慣性力矩以外，還有 部分有水引起的附加質(zhì)量(或附加質(zhì)量慣量)。,3.阻尼負(fù)載 當(dāng)被控對(duì)象在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了形成一定的附加質(zhì)量慣量 (或附加質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)以外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由于

6、流體摩擦、興波 等原因而造成的阻力(或阻力矩)，這個(gè)力(或力矩)與物體運(yùn)動(dòng)的 速度、速度的平方甚至更高次方成比例。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不高情 況下，可以認(rèn)為阻尼力(或力矩)與運(yùn)動(dòng)速度(或角速度)成比例。 Fv = - bv M = - 2N Fv為阻尼力；b為阻尼系數(shù)；v為對(duì)象在流體中的運(yùn)動(dòng)速度； M為阻尼力矩；2N為阻尼力矩系數(shù)（或阻尼系數(shù)）。 在分析船在水中運(yùn)動(dòng)或者類似舵、鰭等伸出船外的裝置在水中 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)用到阻尼力(力矩)和附加水質(zhì)量(或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)。有時(shí) 在減速箱中為保持良好潤(rùn)滑而注入一些潤(rùn)滑油也會(huì)產(chǎn)生阻尼力 (力矩)。,綜合以上情況，可以用一個(gè)通式來(lái)表

7、示負(fù)載力矩，即 F = - Fcsig(v) bv - m dv/dt M = - Mcsig() - 2N- Jd/dt 式中的b和2N根據(jù)運(yùn)動(dòng)存在的介質(zhì)，可以是某個(gè)常數(shù)(在流體中)， 也可以是零(在空氣中)。 4.其他工作阻力負(fù)載 除了上述三項(xiàng)由對(duì)象自身運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的負(fù)載力(力矩)之外。有些 運(yùn)動(dòng)對(duì)象還會(huì)受到正常工作要克服的阻力(力矩)。例如: 切削機(jī)床的切削力(力矩)； 升降機(jī)在上升時(shí)要克服重力； 船舶減搖鰭在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要克服由于重心與轉(zhuǎn)軸不一致導(dǎo)致的重力 力矩和由于浮力中心和軸線不一致而造成的浮力不平衡力矩； 雷達(dá)天線在運(yùn)動(dòng)時(shí)要克服風(fēng)載阻力矩。,二、典型系統(tǒng)的綜合負(fù)載分析和計(jì)算

8、 實(shí)際伺服系統(tǒng)控制被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，都要克服多種負(fù)載 的影響，因而需要根據(jù)各自的運(yùn)動(dòng)規(guī)律做具體分析和綜合。 我們?cè)诮⑾到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程以及在選擇執(zhí)行元件功率時(shí)，需 要把對(duì)象所受到的負(fù)載換算到執(zhí)行元件輸出軸上。 1.負(fù)載的傳遞和轉(zhuǎn)化 一般高速運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件帶動(dòng)相對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的被控對(duì)象都需用減速裝置。三級(jí)齒輪減速器負(fù)載的傳遞與轉(zhuǎn)化。,電機(jī)經(jīng)過(guò)三級(jí)齒輪減速而帶動(dòng)負(fù)載。Z11，Z12，代表各級(jí)齒 輪齒數(shù)。電機(jī)至負(fù)載的總速比為i 。,2.負(fù)載的綜合特性 例1：龍門刨床工作臺(tái)控制 系統(tǒng)負(fù)載分析與綜合 設(shè)R為與工作臺(tái)齒條相 嚙合的齒輪節(jié)，圓半徑i為 電機(jī)與該齒輪之間傳動(dòng)鏈 的總速比，為總效率。 ,例2

9、：火炮方位隨動(dòng)系統(tǒng)分析與綜合。 火炮跟蹤等速直線飛行目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下。當(dāng)系統(tǒng)跟蹤目標(biāo) 時(shí)，角速度dA/dt始終為正值，故摩擦力矩Mc可視為常值。 設(shè)運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，慣性力矩Mj應(yīng)與 的規(guī)律一 致。若在跟蹤過(guò)程中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊，則會(huì)有沖擊力矩Ms作用在 執(zhí)行軸上，系統(tǒng)承受的總的負(fù)載力矩t1時(shí)刻M出現(xiàn)的脈沖為迭加 了沖擊力矩Ms所致。,例3 減搖鰭轉(zhuǎn)鰭力矩分析與綜合 船舶減搖鰭在船舷外的空間位置示意圖。 鰭在與平行迎面來(lái)流之間的攻角為 。由于鰭上方的水流受 擠而流線變密，導(dǎo)致流速增加，鰭下方流速減小。鰭上方的靜壓 小于下方的靜壓，兩者的壓差如圖中排線箭頭形成的包絡(luò)線?？?/p>

10、 的合力作用點(diǎn)為P，合力為R。R可以分解為升力Y和阻力X，升 力Y對(duì)船重心形成扶正力矩。合力對(duì)軸線O形成一力矩M01。此時(shí) 如果鰭首向上轉(zhuǎn)動(dòng)，則M01將阻礙鰭轉(zhuǎn)動(dòng)。,當(dāng)鰭角做一般性的運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體動(dòng)力形成的力矩為 式中M01為定常流體動(dòng)力力矩。因?yàn)轹捿S不在首部，故呈非平衡 狀態(tài)。M01 = Cm1 ,Cm1是用實(shí)驗(yàn)方法獲得的與攻角有關(guān)系數(shù)； M02為非定常力矩，它與攻角角速度和攻角 有關(guān)。 計(jì)算Cm2比較復(fù)雜，需根據(jù)一定的圖譜公式，然后再假定鰭角 做某種規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，一般假定 = sint。這樣才 能知道 與 的對(duì)應(yīng)關(guān)系得Cm2。一般等于1.32倍的船的 諧搖頻率。 ,M03是一項(xiàng)與

11、加速度 有關(guān)的慣性力矩。它是由鰭自身的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和附加水質(zhì)量慣量引起的慣性力矩。 式中的J是鰭、鰭軸和做搖擺運(yùn)動(dòng)的連動(dòng)部分總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, J是附加水質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 Mc是摩擦力矩。由于有防止?jié)B漏的密封裝置，摩擦力矩比 一般的傳動(dòng)要大，通過(guò)實(shí)船實(shí)驗(yàn)表明：Mc約占總力矩的 10%20%。 M01是由重力不通過(guò)軸線和浮力不通過(guò)軸線引起的不平 衡力矩。按鰭的幾何形狀和空間布置可算出。,三、隨機(jī)干擾負(fù)載模型 控制系統(tǒng)常常遇到非確定的隨機(jī)干擾負(fù)載，需要根據(jù)實(shí)際情 況來(lái)建立隨機(jī)干擾負(fù)載模型（干擾負(fù)載的譜密度函數(shù)）。 例4 雷達(dá)天線隨動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)載模型。 考慮隨機(jī)信息(例如風(fēng)速、陀螺漂移等)的值是躍變

12、的，每一 區(qū)段值與以前區(qū)段值無(wú)關(guān)，而且躍變時(shí)刻t1,t2,t3,是隨機(jī)的。 先求這類信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)是相距為時(shí)刻的兩個(gè)函 數(shù)值的乘積的平均值。當(dāng)x(t)和x(t+)處在同一區(qū)段時(shí) x(t)x(t+) = 而當(dāng)x(t)和x(t+)處于不同區(qū)段時(shí)，有 x(t)x(t+) =,設(shè)t和t+在同一區(qū)段的概率為Q()，則相關(guān)函數(shù)可表示為 R()為信號(hào)在時(shí)間間隔內(nèi)不變的概率。 設(shè)是信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)的平均變化次數(shù)，在t足夠小時(shí)， 在t內(nèi)變化的概率就是t，而不變化的概率是1-t。將 (0，)分為成r個(gè)t，第一個(gè)t內(nèi)不變的概率為(1-t)，第 一個(gè)t和第二個(gè)t均不變的概率為(1

13、-t)2，在r個(gè)t內(nèi)均 為不變的概率是(1-t) r。以/t代替r，并令t0，得,信號(hào)在(0，)內(nèi)不變的概率，即 從上式可以看到，這類譜密度函數(shù)的主要參數(shù)是均方值和單 位時(shí)間內(nèi)變化次數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)一般可以根據(jù)物理過(guò)程來(lái)近似 得到。就雷達(dá)天線的風(fēng)載而言，可以先估算風(fēng)載力矩均方值，再 根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速在單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù)確定。有了這兩個(gè)參 數(shù)，就可以確定風(fēng)載譜密度了。,舉例說(shuō)明：設(shè)有直徑為6m的天線，已知平均風(fēng)速V0 =72 km/h， 陣風(fēng)最大風(fēng)速Vm=96km/h,=0.11(1/s)，天線上的風(fēng)載力矩為,例5 斜浪航行時(shí)的橫搖干擾模型 假設(shè)：波浪是一維平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，也就是其譜密度是單參

14、數(shù)譜 船舶傍浪航行時(shí)波浪對(duì)船舶的橫搖干擾模型為 K()是考慮船的寬度和吃水深度對(duì)波浪來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)點(diǎn)而引 起的修正系數(shù)；為波傾角，波傾角是波動(dòng)方程(X,t)對(duì)坐標(biāo)X 的導(dǎo)數(shù)，相當(dāng)于船所在波面位置處波面和水平面的夾角；S() 為海浪波幅譜密度。 航向與浪向的夾角（參考方向：相對(duì)為0）,斜浪航行時(shí)，航速會(huì)影響船與波浪的遭遇頻率。逆斜浪使船 與波浪遭遇周期變短，順斜浪則其變長(zhǎng)。斜浪航行時(shí)波傾角與傍 浪航行是不一致的。這兩種因素都使橫搖干擾力矩模型變化。,浪向角為逆斜浪航行的情況。波峰相對(duì)于船的傳播速度為,絕對(duì)坐標(biāo)系里的海浪波幅譜密度是S()，相對(duì)坐標(biāo)系里波 幅譜密度是S(e)。波能譜從S(

15、)到S(e)，總能量并沒(méi)有 變化。對(duì)應(yīng)d和de區(qū)間的能量相等，即 S()d= S(e)de 因?yàn)橛?考慮斜浪航行時(shí)波傾角的變化。斜浪航行時(shí)，相對(duì)波長(zhǎng)已不 是而是。此時(shí)對(duì)應(yīng)橫剖面的波傾角 u=sin 式中為傍浪時(shí)的波傾角。 當(dāng)考慮以上所討論的兩種因 素后，船在斜浪航行時(shí)的橫搖 干擾力矩模型是 斜浪時(shí)波傾角幅度變化僅僅在船的長(zhǎng)度相對(duì)于波長(zhǎng)是很小的 情況下才有意義。當(dāng)船長(zhǎng)與波長(zhǎng)相接近時(shí)，沿船長(zhǎng)不同的橫剖 面上波傾角不僅在大小而且在符號(hào)上也發(fā)生了變化。 ,伺服系統(tǒng)控制方案選擇,一、控制方案的選擇 伺服系統(tǒng)的都是為某一具體的控制對(duì)象服務(wù)的，因而必須 按照對(duì)象的特點(diǎn)和需要，

16、制訂方案，以作為依據(jù)。 系統(tǒng)控制方案的選擇要考慮系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，元件的 資源和經(jīng)濟(jì)性；工作的可靠性和使用壽命；可操作性能和可 維護(hù)性能。方案分類 直流、交流、交直流混合和數(shù)字控制等方案； 單回路和多回路方案； 線性控制和非線性控制方案； 前饋控制和補(bǔ)償控制，亦稱復(fù)合控制等。 連續(xù)控制和離散控制混合系統(tǒng)是一個(gè)重要技術(shù)發(fā)展方向。,方案的比較 1、直流、交流與混合控制方案比較,2、單回路，雙回路和多路比較 單回路容易實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但性能上有缺陷。 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。系統(tǒng)開(kāi)環(huán)特性G(s)=Gc(s)G0(s)都 在前向通道內(nèi)，因此Gc(s)和G0(s)的參數(shù)變化將全部反映在

17、閉環(huán) 傳遞函數(shù)的變化中。 抑制干擾能力差。存在干擾作用時(shí)，系統(tǒng)輸出對(duì)干擾作用 N(s)和N2(s)的傳遞函數(shù)分別為 ,對(duì)于二階系統(tǒng)，在一定頻率范圍內(nèi)，1-(s)1, 系統(tǒng)對(duì)于擾 動(dòng)N(s) 比沒(méi)有反饋時(shí)要差。因此，單回路控制系統(tǒng)難于抑制干 擾作用的影響。 在單回路系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的指標(biāo)要求較高，系統(tǒng)的增益應(yīng) 當(dāng)較大，則系統(tǒng)通過(guò)串聯(lián)校正很可能難以實(shí)現(xiàn)，必須改變系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)。 單回路控制系統(tǒng)只適用于被控對(duì)象比較簡(jiǎn)單。性能指示要求 不很高的情況。 在要求較高的控制系統(tǒng)中，一般采用雙回路和多回路結(jié)構(gòu)。 雙回路控制系統(tǒng)對(duì)輸入和干擾的傳遞函數(shù)分別為,可以選擇串聯(lián)校正裝置Gc1(s)和并聯(lián)校正裝置Gc

18、2(s)來(lái)滿足對(duì) R(s)和N(s)的指標(biāo)要求。由于有了局部反饋，可以充分抑制N(s) 的干擾作用，而且當(dāng)部件G2(s)的參數(shù)變化很大時(shí)，局部閉環(huán)可 以削弱它的影響。一般局部閉環(huán)是引入速度反饋。它還可改善 系統(tǒng)的低速性能和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 選擇局部閉環(huán)的原則如下：一方面要包圍干擾作用點(diǎn)及參數(shù) 變化較大的環(huán)節(jié)，同時(shí)又不要使局部閉環(huán)的階次過(guò)高(一般不高 于三階)。,3、復(fù)合控制 反饋控制是按照被控參數(shù)的偏差進(jìn)行控制的，只有當(dāng)被控參 數(shù)發(fā)生變化時(shí)，才能形成偏差，從而才有控制作用。復(fù)合控制 則是在偏差出現(xiàn)以前，就產(chǎn)生控制作用，屬于開(kāi)環(huán)控制方式。 前饋控制又叫順饋控制或開(kāi)環(huán)補(bǔ)償。引入前饋控制的目的之 一

19、是補(bǔ)償系統(tǒng)在跟蹤過(guò)程中產(chǎn)生的速度誤差，加速度誤差等。 補(bǔ)償控制是對(duì)外界干擾進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)外界干擾可量測(cè)時(shí)，通 過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，引入補(bǔ)償信號(hào)可以抵消干擾作用對(duì)輸出的影響。 對(duì)干擾實(shí)現(xiàn)了完全的不變性。,二、選擇方案的注意事項(xiàng) 選擇方案最基本的依據(jù)就是用戶對(duì)系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。針 對(duì)不同的使用環(huán)境，選擇方案的出發(fā)點(diǎn)就不同。 軍用伺服系統(tǒng)：工作品質(zhì)、可靠性和靈活性； 民用伺服系統(tǒng)：長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性； 系統(tǒng)運(yùn)行速度很高，且經(jīng)常處于加速度狀態(tài)，對(duì)精度的要求 高時(shí)，可以設(shè)計(jì)二階無(wú)差度系統(tǒng)或者采用復(fù)合控制系統(tǒng)。 負(fù)載調(diào)速范圍很寬時(shí)，一般選無(wú)槽電動(dòng)機(jī)。高性能系統(tǒng)中， 一般選大慣量寬調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)，采用直接耦合傳動(dòng)方

20、案。 考慮電磁兼容性要求。 選擇方案應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的主要要求，初步擬定方案，進(jìn)行可行 性分析、試驗(yàn)，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。有時(shí)需要構(gòu)思幾個(gè)方案進(jìn)行 對(duì)比、優(yōu)化，方案確定后便可按照設(shè)計(jì)步驟逐項(xiàng)進(jìn)行，并在試驗(yàn) 中作局部修改。,伺服電機(jī)選擇,伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，可采用電動(dòng)機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)、 氣動(dòng)設(shè)備、電磁離合器等。 對(duì)執(zhí)行電機(jī)的要求如下： (1)滿足負(fù)載運(yùn)動(dòng)的要求（提供足夠的力矩和功率） (2) 正反轉(zhuǎn)，起停，保證系統(tǒng)的快速運(yùn)動(dòng) (3) 調(diào)速范圍 (4) 功率消耗、尺寸要求 確定電機(jī)類型、額定輸入輸出參數(shù) 額定電壓UR、額定電流IR、額定功率PR、額定轉(zhuǎn)速nR 控制方式 電機(jī)到負(fù)載之間

21、傳動(dòng)裝置的類型、速比、傳動(dòng)級(jí)數(shù)和速比分 配，估算傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)效率。,一、伺服電動(dòng)機(jī)的類型 直流伺服電動(dòng)機(jī)、低速大扭矩寬調(diào)速電機(jī)、兩相異步電機(jī)、 三相異步電機(jī)、同步電機(jī)、滑差電機(jī)、力矩電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。 1.直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分：他激、串激、并激 ?？刂?方式分電樞控制和磁場(chǎng)控制兩大類。 電樞控制易獲得較平直的機(jī)械特性，有較寬的調(diào)速范圍。功 率范圍幾百瓦至幾十千瓦。,磁場(chǎng)控制分電樞電壓保持不變和電樞電流保持不變兩種。 電樞電壓為常值，功率在幾百瓦電機(jī)，具有弱磁升速特性。在 幾十瓦以內(nèi)，且負(fù)載力矩MR較大，負(fù)載特性處于機(jī)械特性匯交點(diǎn) 的右邊，可以實(shí)現(xiàn)弱磁降

22、速，激磁電流IR近似與轉(zhuǎn)速成正比，可 用于可逆連續(xù)調(diào)速場(chǎng)合。調(diào)速范圍和調(diào)節(jié)特性的線性度均遠(yuǎn)不如 電樞控制。 電樞電流保持不變的磁場(chǎng)控制，只能用于幾瓦至十幾瓦的小功 率電機(jī)，只有加較深的速度負(fù)反饋系統(tǒng)才可獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。在 只有輸出力矩(轉(zhuǎn)速可以為零)的場(chǎng)合比較適用 。,直流他激伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩慣量比是很小的，已不能適應(yīng)現(xiàn)代伺服控制技術(shù)要求. 兩種高性能的小慣量高速直流伺服電動(dòng)機(jī) (1)小慣量無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī) 無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)又稱表面繞組電樞直流伺服電動(dòng) 機(jī)。結(jié)構(gòu)不同之處在于電樞的鐵心表面無(wú)槽，電樞繞組與鐵心成 為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，電樞繞組均勻分布在鐵心表面上，大大縮小 了電

23、樞直徑，減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。換向性能改善，過(guò)載能力 加強(qiáng)。改善低速平穩(wěn)性、擴(kuò)大了調(diào)速范圍。 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，普通電機(jī)1/10，電磁時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快 轉(zhuǎn)矩慣量比大，過(guò)載能力強(qiáng)，最大轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩大10倍 低速性能好，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，線性度好，摩擦小，調(diào)整范圍可達(dá) 數(shù)千比一。,具有以下缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)速高，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)仍需減速器 氣隙大，安匝數(shù)多，效率低。慣量小、熱容量較小，過(guò)載 時(shí)間不能太長(zhǎng)。 由于電機(jī)本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可能要占系統(tǒng)總 慣量中較大成份。負(fù)載轉(zhuǎn)慣量發(fā)生變化時(shí)，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能。慣量匹配問(wèn)題。 無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種大功率直

24、流伺服電動(dòng) 機(jī)，主要用于需要快速動(dòng)作，功率較大的伺服系統(tǒng)中， 如雷達(dá)天線的驅(qū)動(dòng)、自行火炮、導(dǎo)彈發(fā)射架驅(qū)動(dòng)、計(jì)算 機(jī)外圍設(shè)備以及數(shù)控機(jī)床等方面都有應(yīng)用實(shí)例。,(2)空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī) 空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小的直流伺服電 動(dòng)機(jī)，為“超低慣量伺服電動(dòng)機(jī)”。 低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，起動(dòng)時(shí)間常數(shù)可達(dá)1ms以下。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比很大，角加速度可達(dá)106rad/s2。 靈敏度高，快速性好，速度調(diào)節(jié)方便，始動(dòng)電壓在100mV以下 損耗小、效率高。效率可達(dá)80%或更高。 繞組均勻分布，無(wú)齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，低速平穩(wěn)，噪聲小 繞組的散然條件好，其電流密度可取到30A/mm。 轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心，電樞電感

25、很小，換向性能很好，提高使用壽命 空心杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦， 多用于高精度的伺服系統(tǒng)及測(cè)量裝置等設(shè)備中，如電視攝像機(jī)、 各種錄單機(jī)、X-Y函數(shù)記錄儀、數(shù)控機(jī)床等機(jī)電一化設(shè)備中。,2.低速大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī) 低速大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)是在過(guò)去軍用低速力矩電動(dòng)機(jī)經(jīng)驗(yàn)的 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)。相對(duì)于前面的小慣量電動(dòng)機(jī) 而言，大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)具有下列特點(diǎn)： 高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比，從而提供了極高的加速度和快速響應(yīng) 高熱容量，使電機(jī)在自然冷卻全封閉條件下，仍能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載 電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩和低速特性使得它可與對(duì)象直接耦合 電動(dòng)機(jī)在大的加速度和過(guò)載情況下，有良好的換向。 電

26、動(dòng)機(jī)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，保證有長(zhǎng)的壽命和高的可靠性。 采用能承受重載荷的軸和軸承，使得電動(dòng)機(jī)在加、減速和低速 大轉(zhuǎn)矩時(shí)能承受最大峰值轉(zhuǎn)矩。 電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝有高精度和高可靠性的反饋元件脈沖編碼器 或多極旋轉(zhuǎn)變壓器和低紋波測(cè)速發(fā)電機(jī)。 ,3.兩相異步電動(dòng)機(jī) 兩相異步電動(dòng)機(jī)在幾十瓦以內(nèi)的小功率隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。控制方式分幅值控制和相位控制。 兩相異步電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，本身摩擦力矩小，比較靈敏。具有杯型轉(zhuǎn)子的兩相異步機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，因而快速響應(yīng)特性好，常見(jiàn)于儀表隨動(dòng)系統(tǒng)中。 4.三相異步電動(dòng)機(jī) 三相異步電動(dòng)機(jī)控制方式有多種，如變頻調(diào)速、變電壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、脈沖調(diào)速等。變頻調(diào)速可獲

27、得比較平直的機(jī)械特性，調(diào)速范圍比較寬但控制線路復(fù)雜。該調(diào)速方法目前已得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)中傳統(tǒng)使用的是利用可控硅實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速，它只適用于線繞式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)。變壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速均在單向調(diào)速時(shí)采用，低速性能差且調(diào)速范圍不寬。 與同功率的直流電機(jī)相比，三相異步電機(jī)的體積小、重量輕、價(jià)格便宜、維護(hù)簡(jiǎn)單。,5.滑差電機(jī)(亦稱轉(zhuǎn)差離合器) 滑差電機(jī)的主動(dòng)部分由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)作單向等速運(yùn)轉(zhuǎn)，用直流控制它的激磁，激磁電流大小可調(diào)節(jié)其從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速，從動(dòng)部分帶動(dòng)負(fù)載追隨主動(dòng)部分，故只能單方向調(diào)速。其機(jī)械特性較軟，調(diào)速范圍不大，低速性能較差，但控制線路簡(jiǎn)單。 6.步進(jìn)電機(jī) 按激磁方式分永磁式、感應(yīng)式

28、和反應(yīng)式。其中反應(yīng)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用得較為普遍。目前工業(yè)上多用于小功率場(chǎng)合，步進(jìn)電機(jī)特別適合于增量控制，在機(jī)床進(jìn)刀系統(tǒng)中廣泛采用。 7.力矩電機(jī) 力矩電機(jī)分直流和交流兩種。它在原理上與他激直流電機(jī)和兩相異步電機(jī)一樣，只是在結(jié)構(gòu)和性能上有所不同，比較適合于低速調(diào)速系統(tǒng)，甚至可長(zhǎng)期工作于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)只輸出力矩，因此它可以直接與控制對(duì)象相聯(lián)而不需減速裝置。,8.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩大(力矩電機(jī))，控制方法簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是有換向器和電刷。 兩相伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有換向器和電刷，缺點(diǎn)是機(jī)械特性 和調(diào)節(jié)特性具有嚴(yán)重的非線性，轉(zhuǎn)矩小，效率低。 兩者的結(jié)

29、合，在現(xiàn)今已得以實(shí)現(xiàn)。 這種電動(dòng)機(jī)用電子換向開(kāi)關(guān)電路和位置傳感器代替電刷和換向 器，這使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，調(diào)節(jié)特 性，又具有交流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、沒(méi)有電磁干擾等 優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉(zhuǎn) 矩波動(dòng)大，低速時(shí)轉(zhuǎn)速的均勻性差?？刂朴脽o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)包括 無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)。 ,二、伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 1、基本依據(jù) （1）典型負(fù)載 干摩擦力矩 Mc= Mc sign (Nm) 慣性力矩 ML=J=J(d/dt) (Nm) 粘性摩擦力矩 M = 2N (Nm) 重力力矩 M G =

30、GL (Nm) 彈性力矩 M K = K (Nm) 風(fēng)阻力矩 Mf = f (Nm) （2）描述與定量分析 典型負(fù)載與其運(yùn)動(dòng)參數(shù)（ ）有關(guān)，若對(duì)象運(yùn)動(dòng)有規(guī) 律，則可用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)形式來(lái)描述； 多數(shù)被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是隨記得，工程采用近似方法，選 取有代表性的工況作定量分析；,長(zhǎng)期運(yùn)行電機(jī)發(fā)熱狀態(tài) 短時(shí)超載 系統(tǒng)極限運(yùn)動(dòng)的承載能力 根據(jù)動(dòng)態(tài)性能要求檢驗(yàn)電機(jī)的響應(yīng)能力 被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)與電機(jī)運(yùn)動(dòng)是同時(shí)進(jìn)行的，既要克服對(duì)象的負(fù) 載，也要克服電機(jī)自身的負(fù)載。 （3）銘牌定量計(jì)算方法 產(chǎn)品單位要用國(guó)際單位統(tǒng)一。 a)力矩電機(jī) 產(chǎn)品參數(shù)，以LY系列永磁力矩電機(jī)目錄為例 輸出參數(shù)

31、：峰值堵轉(zhuǎn)力矩Mmbl、最大空載轉(zhuǎn)速nm0(對(duì)應(yīng)Um的實(shí) 際空載轉(zhuǎn)速)、連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩Mcbl； 輸入?yún)?shù)：峰值堵轉(zhuǎn)電流Imbl、峰值堵轉(zhuǎn)電壓Um、連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流 Icbl和電壓Uc； 電機(jī)參數(shù)：電勢(shì)系數(shù)Ce、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr、電磁時(shí)間常數(shù)Ti,計(jì)算公式,b)直流伺服電機(jī) 輸出參數(shù)：額定轉(zhuǎn)矩MR、額定轉(zhuǎn)速nR、額定功率PR； 輸入?yún)?shù)：電樞電流IR、電樞電壓UR、激磁電流If和電壓Uf； 電機(jī)參數(shù)：電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr、或轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩 計(jì)算公式,c)兩相異步電機(jī) 輸出參數(shù)：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Mbl、空載轉(zhuǎn)速n0、額定輸出功率PR； 輸入?yún)?shù)：頻率f、 堵轉(zhuǎn)電流Ibl、 額定控制電

32、壓UR、 激磁電壓Uf、 每相輸入功率P； 電機(jī)參數(shù)：電機(jī)時(shí)間常數(shù)Tm、極對(duì)數(shù) 計(jì)算公式,2、單軸傳動(dòng)執(zhí)行電機(jī)選擇 電機(jī)與負(fù)載直接對(duì)接（無(wú)減速器） 例1：探測(cè)器方位角跟蹤系統(tǒng),例2 小車在鋼軌上運(yùn)動(dòng)，需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，已知: 小車滿載重量： G=500N，車輪半徑：R=0.2m 軌跡滾動(dòng)摩擦系數(shù)：f=0.002 要求：車速可逆，vm=1.2m/s，am=0.2m/ss 系統(tǒng)最大誤差：m0.1m 零初始狀態(tài)，1(t)作用，ts 3s，選電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。 解（1）轉(zhuǎn)換 直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),,（2）選電機(jī) 160LY55 直接連接，參數(shù)如下:,（3）校驗(yàn) 檢驗(yàn)發(fā)熱溫升

33、沒(méi)有提出最大加速度要求，只在誤差范圍內(nèi)考慮。 動(dòng)態(tài)性能（帶寬）,在不增大電機(jī)外徑的前提下，重新選電機(jī)。160LYX,3、多軸傳動(dòng)執(zhí)行電機(jī)選擇 m/ L=i1，力矩關(guān)系：1/(i) 其中<1,選擇電機(jī)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，選擇傳動(dòng)比i的類型，估計(jì)，并 折算到電機(jī)軸。 0.920.96 （圓柱齒輪或圓錐齒輪） 0.98 0.700.80 （齒條或蝸桿輪） 0.750.82 0.500.60 （螺母絲桿） 一般傳動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: J p(0.05 0.1) J r (J r 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量) 電機(jī)功率小時(shí)，取0.1，功率大時(shí)，取0.05。 進(jìn)行三個(gè)方面的驗(yàn)證: 溫升發(fā)熱、短時(shí)極限承

34、受力、動(dòng)態(tài)頻帶 溫升發(fā)熱驗(yàn)證：,短時(shí)極限承受力驗(yàn)證: 以極限角加速度lim作為短時(shí)運(yùn)行，此時(shí)承受的轉(zhuǎn)矩M 用過(guò)載系數(shù)來(lái)衡量，即短時(shí)(t 3s)超載 Msup = MR 鼠籠式兩相異步電機(jī) = 1.82 空心杯兩相異步電機(jī) = 1.11.4 伺服三相異步電機(jī) = 2 直流伺服電機(jī) = 3 ；直流力矩電機(jī)不能超過(guò) M mbl 驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)： M MR ，對(duì)力矩電機(jī) M M mbl 動(dòng)態(tài)頻帶驗(yàn)證:,例3 有一轉(zhuǎn)臺(tái)，設(shè)計(jì)水平向傳動(dòng)，已知: 解: (1)單位換算 (2)初選電機(jī),初選直流伺服電機(jī)為ZK-32C，參數(shù)如下： 輸出參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速nR=2500r/min=261.8rad/s

35、額定功率PR=760w589.2w 輸入?yún)?shù)：電樞電流IR=8.2A ; 電樞電壓UR=110V; 電壓Uf=220V 電機(jī)參數(shù)：轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩 =0.053 可得: 電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr= /4=0.01325 估算：,傳動(dòng)比 傳動(dòng)裝置采用三級(jí)圓柱齒輪和一級(jí)渦輪蝸桿傳動(dòng)，總效率為: 因?yàn)殡姍C(jī)功率小，取傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jp=0.1Jr=0.001325 (3)驗(yàn)證 溫升發(fā)熱驗(yàn)證：,短時(shí)極限承受力驗(yàn)證: 動(dòng)態(tài)頻帶驗(yàn)證:,例4 小功率伺服系統(tǒng)，已知: 解: (1)單位換算 (2)初選電機(jī),選f=400Hz兩相異步電機(jī)70sL01，其參數(shù)如下: 輸出參數(shù)：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩M

36、bl=1000gcm=0.098Nm 空載轉(zhuǎn)速n0=4800r/min=502.6rad/s 額定輸出功率PR=16w9.54w 輸入?yún)?shù)：頻率f=400Hz、額定控制電壓UC=115V 激磁電壓Uf=115v、激磁電流If=1.1A 電機(jī)參數(shù)：電機(jī)時(shí)間常數(shù)Tm=25ms=0.025s 可求得;,傳動(dòng)比 傳動(dòng)裝置采用四級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，總效率為: 取傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jp和測(cè)速發(fā)電機(jī)Jc 折合到電機(jī)后，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 (3)驗(yàn)證 溫升發(fā)熱驗(yàn)證：,短時(shí)極限承受力驗(yàn)證: 動(dòng)態(tài)頻帶驗(yàn)證:,伺服檢測(cè)裝置的選擇,在伺服系統(tǒng)中，測(cè)量裝置的作用是產(chǎn)生一個(gè)與被檢測(cè)

37、量等效的電信號(hào)(如直流電流、直流電壓等)，以控制系統(tǒng)工作。 在信號(hào)的變化過(guò)程中，測(cè)量裝置會(huì)給伺服系統(tǒng)帶來(lái)誤差。測(cè)量裝置自身的精度或分辯率對(duì)整個(gè)伺服控制系統(tǒng)精度的關(guān)系很大。 對(duì)測(cè)量裝置的主要要求： (1)精度高，不靈敏區(qū)小，其誤差比整個(gè)系統(tǒng)允許誤差小得多； (2)被測(cè)量與電輸出信號(hào)之間在給定工作范圍內(nèi)具有線性關(guān)系； (3) 要求輸出信號(hào)中所含干擾成分要?。?(4)輸出信號(hào)應(yīng)能在所要求的頻帶內(nèi)準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)被測(cè)量，盡量避免儲(chǔ)能元件造成的動(dòng)態(tài)滯后； (5)機(jī)電測(cè)量裝置自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，摩擦轉(zhuǎn)矩要??； (6)測(cè)量裝置輸出的功率應(yīng)足夠高，以便能夠不失真地傳遞信號(hào)和作進(jìn)一步的信號(hào)處理；,一、調(diào)速系統(tǒng)測(cè)量裝置

38、的選擇 調(diào)速系統(tǒng)需要測(cè)速反饋，測(cè)量輸出角速度并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電 壓信號(hào)，反饋回去與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。 要求測(cè)速元件低速輸出穩(wěn)定，紋波小，線性度好。 模擬量測(cè)速元件，通常采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 數(shù)字式測(cè)速元件，采用光電式脈沖發(fā)生器(亦稱增量編碼器) 介紹直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，數(shù)字測(cè)速的原理和基本要求以及頻率/ 電壓(F/V)變換器。 1、模擬測(cè)速元件直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的型式:永磁式、他勵(lì)式 伺服系統(tǒng)對(duì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求 a.輸出電壓和轉(zhuǎn)速的特性線性度要好； b.輸出特性的斜率要大； c.溫度變化對(duì)輸出特性的影響要??； d.輸出電壓的紋波要??； e.輸出特性的對(duì)稱性要一致。 ,直流

39、測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差因素 理想的測(cè)速發(fā)電機(jī)其輸出電壓Ug與其轉(zhuǎn)軸的角速度成正比 Ug=Kg 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)Ug中，包含有紋波分量或無(wú)用信號(hào) Un(rip)(t)，稱為測(cè)速發(fā)電機(jī)的噪聲。它由以下的各種因素所引起： 換向紋波 是構(gòu)成測(cè)速發(fā)電機(jī)噪聲的主要部分，它由測(cè)速發(fā)電 機(jī)電刷和換向器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。在低速時(shí)影響尤為明顯。 電樞偏心 它產(chǎn)生周期性的有害信號(hào)，其基波頻率等于測(cè)速發(fā) 電機(jī)的角頻率。頻率相對(duì)比較低，對(duì)系統(tǒng)是有害的。與換向紋波 相比，通常是較小的。 高頻噪聲 對(duì)噪聲Un(rip)(t)影響的第三個(gè)因素是高頻噪聲或稱 “白噪聲”。它主要的是電磁感應(yīng)引起的

40、。因?yàn)樾盘?hào)頻率較高，可 以濾除掉，對(duì)系統(tǒng)影響不大。 ,直流測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋的速度伺服系統(tǒng)測(cè)量裝置的選擇 Kr代表速度給定電位器的轉(zhuǎn)換系數(shù)，系統(tǒng)傳遞系數(shù)K為 ,測(cè)速發(fā)電機(jī)的線性關(guān)系 低速時(shí)電動(dòng)勢(shì)小，輸出有“死區(qū)”。 根據(jù)輸出斜率KF和電刷接觸壓降 Ud，可估算u f=f()特性的不靈敏 區(qū)dead=ud/KF。 選擇時(shí)，應(yīng)使不靈敏區(qū)dead

41、輸出電壓應(yīng)等于Uimax， 則電位器的電源電壓UgUimax。 選擇給定電位器和測(cè)速發(fā)電機(jī)要注意負(fù)載能力，使負(fù)載引起 的非線性效應(yīng)最小。,2、數(shù)字測(cè)速元件光電脈沖測(cè)速機(jī) 數(shù)字測(cè)速元件是由光電脈沖發(fā)生器及檢測(cè)裝置組成。它們具 有低慣量、低噪聲、高分辯率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。脈沖發(fā)生器連接 在被測(cè)軸上，隨著被測(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一系列的脈沖，檢測(cè)裝置對(duì) 脈沖進(jìn)行比較，獲得被測(cè)軸的速度。有電磁式和光電式兩種。 原理（增量式光電編碼器）,基本要求 高分辯率 分辯率表征測(cè)量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化的敏感度，當(dāng)測(cè)量數(shù)值改變， 對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，則分辯率Q定義為 Q=n2-n1 (r/min) Q值

42、愈小，測(cè)量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化愈敏感，亦即其分辯率愈高。 高精度 精度表示偏離實(shí)際值的百分比，即當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速為n、誤差為 n時(shí)的測(cè)速精度為 e%=(n/n)100% 影響測(cè)速精度的因素有：光電測(cè)速器的不同心度制造誤差和脈沖 計(jì)數(shù)時(shí)1個(gè)脈沖的誤差。 短的檢測(cè)時(shí)間 檢測(cè)時(shí)間，即兩次速度連續(xù)采樣的間隔時(shí)間T。T愈短，愈有 利于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。 ,數(shù)字測(cè)速方法 脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)速方法有三種：M法、 T法、 M/T法 M法測(cè)速 在規(guī)定的時(shí)間間隔Tg內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)獲 得被測(cè)速度值，這種方法稱為M法。設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出 的脈沖數(shù)為P，且在規(guī)定的時(shí)間Tg(秒)內(nèi)，測(cè)得的脈沖數(shù)為

43、m1， 則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)： nM = 60m1/(PTg) (r/min) 技術(shù)指標(biāo)： Q值與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，計(jì)數(shù)值m1變化1，在任何轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速 值增量均等。轉(zhuǎn)速很小時(shí)，Tg內(nèi)脈沖少，則測(cè)出的速度不準(zhǔn)確。 欲提高分辯率，可提高P，或者增加Tg。,測(cè)量精度 測(cè)量過(guò)程有1個(gè)脈沖的檢測(cè)誤差，則相對(duì)誤差為 1/m1。轉(zhuǎn)速增加，m1增大，相對(duì)誤差減小，M法適用高速測(cè)量。 檢測(cè)時(shí)間 T=Tg=60/(PQ) 在保持一定分辯率的情況下，縮短檢測(cè)時(shí)間唯一的辦法是改用 P值大(轉(zhuǎn)盤刻線密度大或透光孔多)的光電脈沖發(fā)生器。 T法測(cè)速 測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)速度的方法叫 做T法測(cè)

44、速。 方法：用一已知頻率fc的時(shí)鐘脈沖向一計(jì)數(shù)器發(fā)送脈沖，此計(jì) 數(shù)器由測(cè)速脈沖的兩個(gè)相鄰脈沖控制其起始和終止。若該計(jì)數(shù)器 的讀數(shù)為m2，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為 nM = 60fc/(Pm2) (r/min),T法測(cè)速的技術(shù)指標(biāo)： 轉(zhuǎn)速nM升高，Q值增大，轉(zhuǎn)速愈低，Q值愈小，亦即T法測(cè)速 在低速時(shí)有較高的分辯率。 測(cè)速精度 光電脈沖發(fā)生器制造誤差為ep%，導(dǎo)致測(cè)速的絕對(duì) 誤差隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加。 例如ep%=10%，當(dāng)nM=100r/min,nM=10r/min； 當(dāng)nM=1000r/min,nM=100r/min。 另外，時(shí)鐘脈沖m2計(jì)數(shù)時(shí)，總有一個(gè)脈沖的誤差，由

45、此造成的 相對(duì)誤差為1/m2。隨著轉(zhuǎn)速nM增加，m2計(jì)數(shù)值減小，此項(xiàng)誤差 也隨之增大。T法在低速時(shí)有較高的精度和分辯率，適合于低速 時(shí)測(cè)量。,檢測(cè)時(shí)間 T等于測(cè)速脈沖周期Ttach，即 T=Ttach=60/(nMP) 可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，檢測(cè)時(shí)間將減小。確定檢 測(cè)時(shí)間的原則是：即要使T盡可能短，又要使計(jì)算機(jī) 在電機(jī)最高速運(yùn)行時(shí)有足夠的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 時(shí)鐘脈沖fc的確定 fc愈高，分辯率愈高，測(cè)速精度 愈高；但fc過(guò)高又使m2過(guò)大，使計(jì)數(shù)器字長(zhǎng)加大，影 響運(yùn)算速度。 確定方法：根據(jù)最低轉(zhuǎn)速n Mmin和計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)設(shè)計(jì)出 最大計(jì)數(shù)m2max，有： fc =n

46、MminPm2max/60,M/T法測(cè)速 同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和此時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的 脈沖數(shù)來(lái)確定被測(cè)轉(zhuǎn)速。用規(guī)定時(shí)間間隔Tg以后的第一個(gè)測(cè)速脈 沖去終止時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器示數(shù)m2來(lái)確定檢測(cè)時(shí)間T。,注意，上中的60fc/P項(xiàng)是常數(shù)，在檢測(cè)時(shí)間T內(nèi)，分別計(jì)取測(cè) 速脈沖ftach和時(shí)鐘脈沖fc的脈沖個(gè)數(shù)m1和m2，即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn) 速值。計(jì)取Tg時(shí)間內(nèi)的測(cè)速脈沖ftach的個(gè)數(shù)相當(dāng)于M法，而計(jì)取 T時(shí)間內(nèi)參考時(shí)鐘脈沖fc的個(gè)數(shù)m2相當(dāng)于T法，所以該測(cè)速方法兼 有M法和T法的優(yōu)點(diǎn)，在高速和低速段均可獲得較高分辯能力。 性能指標(biāo)： 分辯率 由于Tg定時(shí)和m1計(jì)數(shù)同時(shí)開(kāi)始，m1無(wú)誤差。由m2

47、變 化1時(shí)，分辯率Q為 ,測(cè)速精度 用eP(%)表示測(cè)速脈沖周期Ttach不均勻誤差，因該誤 差不累積，計(jì)取m2時(shí)只在最后一個(gè)周期內(nèi)對(duì)m2產(chǎn)生影響，同時(shí) 考慮m2可能產(chǎn)生1的誤差，由此引起測(cè)速誤差etach(%)為 參數(shù)選擇： 時(shí)鐘脈沖頻率fc的選取 測(cè)速規(guī)定時(shí)間Tg的選擇 在性能指標(biāo)允許的條件下，盡可能選取小的Tg值。,數(shù)字測(cè)速方法評(píng)價(jià) 對(duì)分辯率而言 T法測(cè)速時(shí)較高，隨著速度的增大，分辯率變 壞；M法則相反，高速時(shí)較高，隨著速度降低，分辯率變差； M/T法的Q/nM是常數(shù)，與速度無(wú)關(guān)，因此它比前兩種方法都好。 從測(cè)速精度上看 以M/T法為佳。 考慮檢測(cè)時(shí)間，在標(biāo)準(zhǔn)的M法中，T=

48、Tg，與速度無(wú)關(guān)；在T法 中，因?yàn)槿y(cè)速脈沖的間隔時(shí)間Ttach作為檢測(cè)時(shí)間，因而，隨著 速度的增大而減??；M/T法檢測(cè)時(shí)間相對(duì)前兩種方法是較長(zhǎng)的， 但是若稍微犧牲一點(diǎn)分辯率，選擇分辯率在最低轉(zhuǎn)速時(shí)仍使 m1=56個(gè)脈沖，便可使檢測(cè)時(shí)間幾乎與M法相同(TTg)。 另外，速度控制系統(tǒng)的響應(yīng)決不僅僅是由檢測(cè)時(shí)間確定，還 與功率轉(zhuǎn)換電路、電動(dòng)機(jī)的特性以及負(fù)載情況有關(guān)。因此，檢 測(cè)時(shí)間的選取，應(yīng)視具體系統(tǒng)的要求而定。但對(duì)快速響應(yīng)要求 比較高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)時(shí)間的影響是不容忽視的。 ,光電脈沖測(cè)速檢測(cè)裝置的選擇 允許忽略由采樣引起的相位移的條件是 tachmin10帶寬(rad/s) 式中ta

49、chmin消除采樣數(shù)據(jù)相位移所允許的測(cè)速器頻率。 在已知系統(tǒng)階躍輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)時(shí)間ts情況下，系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)截止頻率c(c(6-10)/ts)近似求得。若把c的值作為系 統(tǒng)閉環(huán)的帶寬，則有 tachmin10c 光電測(cè)速器輸出信號(hào)的頻率為 ftach=Nn/60=N/2 （N圓盤刻線密度；n轉(zhuǎn)速） 可得： tachmin =Nn min /30 有： N300c/（nmin） 表示了帶寬c、每分鐘最低轉(zhuǎn)速nmin及圓盤密度N三者之間 極重要的輔助關(guān)系，它是選擇光電測(cè)速器的基本依據(jù)。 ,二、隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)裝置的選擇 位置控制系統(tǒng)測(cè)量裝置通常采用的有圓環(huán)形旋轉(zhuǎn)電位器、自整 角

50、機(jī)(同步機(jī))、旋轉(zhuǎn)變壓器(解算器)、碼盤、感應(yīng)同步器。 采用電位器作角度測(cè)量和角度同步傳輸是常用的一種方法。選 用電位器測(cè)量角度或傳輸角度，有滑動(dòng)接觸，容易造成磨損，而 且可能出現(xiàn)溫差電動(dòng)勢(shì)，影響測(cè)量精度。 要求較高的系統(tǒng)中，多采用非接觸式的角度測(cè)量和傳輸裝置 自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器。（略）,放大裝置選擇,在大中功率系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用了直流發(fā)電機(jī)、交磁機(jī)、磁放大 機(jī)、晶閘管放大器、液壓放大器等。在中小功率系統(tǒng)中，晶體管 功率放大器得到廣泛應(yīng)用。晶體管功率放大器具有體積小、無(wú)噪 聲、無(wú)慣性、使用方便等特點(diǎn)。 一、基本要求及設(shè)計(jì)內(nèi)容 基本要求： 放大裝置的功率輸出級(jí)必須與所選執(zhí)行電機(jī)相匹配 實(shí)

51、現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的功率放大，必須輸出足夠的功率驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電 機(jī)（電壓、電流），并滿足電機(jī)短時(shí)過(guò)載和超速運(yùn)行以及突然反 向制動(dòng)的工況。一般說(shuō)來(lái)，功率放大器的電壓輸出幅值應(yīng)能達(dá)到 電機(jī)額定電壓的1.2倍。中小型直流電機(jī)，起動(dòng)電流是額定電流的 2.55倍，功率放大器的輸出電流是電機(jī)額定電流的2.55倍。 交流電機(jī)，由于其電流過(guò)載很小，只需考慮電壓有過(guò)載能力。 ,放大裝置功率輸出級(jí)輸出阻抗要小、效率要高 在執(zhí)行元件是直流電機(jī)的情況下，放大器的輸出阻抗是電樞 回路總電阻的一部分。如果放大器的輸出阻抗不能做得很小，則 機(jī)電時(shí)間常數(shù)必然要加大，這就使得電機(jī)反應(yīng)速度變慢。因此， 應(yīng)當(dāng)盡量減小功率放大器的輸出阻抗。

52、一個(gè)有效的辦法是引入電 壓負(fù)反饋。 只要加大電壓負(fù)反饋的深度，就可以無(wú)限度地減小放大器的 輸出阻抗。但實(shí)際上，由于放大器存在慣性，電壓負(fù)反饋過(guò)深， 可能導(dǎo)致動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞。因此，合適的負(fù)反饋深度以減小輸出阻 抗，改善放大器的非線性，克服元件參數(shù)變化的影響，并改善動(dòng) 態(tài)品質(zhì)。,功率放大裝置應(yīng)有足夠的線性范圍 功率放大器是末級(jí)放大，最可能出現(xiàn)飽和。過(guò)早地出現(xiàn)飽和，將 使功率放大器等效內(nèi)阻增大，輸出特性變壞，等效時(shí)間常數(shù)增大。 放大裝置的通頻帶至少應(yīng)是系統(tǒng)帶寬的5倍以上 功率放大器本身的頻帶應(yīng)大大高于系統(tǒng)的頻帶，使其時(shí)間常數(shù)成 為小參數(shù)，否則將使系統(tǒng)的階數(shù)增高，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 放大裝置的輸

53、入級(jí)要和測(cè)量元件的輸出阻抗相匹配 放大裝置的不靈敏區(qū)比測(cè)量元件的失靈區(qū)要小，輸入級(jí)的精度要 高，還要進(jìn)行溫漂的核算。 放大裝置需根據(jù)不同的執(zhí)行元件有相應(yīng)保護(hù)措施 當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)為直流力矩電機(jī)或其它永磁式直流電機(jī)時(shí)，放大 裝置輸出級(jí)應(yīng)有限流保護(hù)防止電流過(guò)載。 放大裝置提供一定的制動(dòng)條件以提高系統(tǒng)效率 對(duì)電機(jī)功率在500W以上，經(jīng)?？赡孢\(yùn)行的系統(tǒng)，要求放大裝置 輸出級(jí)能提供電機(jī)發(fā)電制動(dòng)條件，以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。,放大裝置的放大倍數(shù)確定及設(shè)計(jì) 確定放大裝置的放大倍數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)對(duì)靜差和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的 要求來(lái)進(jìn)行。 用靜差來(lái)確定放大倍數(shù) 設(shè)系統(tǒng)允許的靜差為ej，測(cè)量元件的誤差為ec，則其余的靜

54、差 部分是其它的元件所產(chǎn)生。放大器應(yīng)在(ej-ec)/2的信號(hào)輸入下使 輸出達(dá)到電機(jī)的額定電壓UMR。實(shí)際上，只需輸出一個(gè)電壓克服 電機(jī)失靈區(qū)并能供給電機(jī)一定電壓去克服負(fù)載中的摩擦力矩即 可。確定總放大倍數(shù)的上限值，即 Kmax=2UMR/(ej-ec) 用等速跟蹤誤差ev來(lái)確定放大倍數(shù) 系統(tǒng)以最大角速度跟蹤輸入，這時(shí)允許的等速跟蹤誤差為ev。 則放大裝置應(yīng)在誤差信號(hào)ev的輸入下，使輸出達(dá)到電機(jī)額定電壓 UMR，這樣就確定了放大倍數(shù)的下限值，即 Kmin= UMR/ev,放大倍數(shù)的分配要從后向前逐級(jí)提高，精度也從后向前逐 級(jí)提高，并在第一級(jí)放大器留有動(dòng)態(tài)校正的余地。 查閱典型線路作為參考，進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。要注意放大器使 用對(duì)象的差異，必要時(shí)加保護(hù)電路。常用的小功率直流放大器 有互補(bǔ)推挽式，橋式以及脈沖調(diào)寬式(即PWM)；交流放大器 有推挽式和互補(bǔ)推挽式。大功率電機(jī)的放大裝置有晶閘管功放 和電機(jī)擴(kuò)大機(jī)等，它們與測(cè)量元件之間仍然要用集成運(yùn)算放大 器相連，這樣不但能實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，而且可方便地進(jìn)行動(dòng)態(tài) 校正和綜合。 在設(shè)計(jì)放大裝置的同時(shí)，要把對(duì)電源，包括功率放大器所 用的電源和信號(hào)放大所用的穩(wěn)壓電源的形式(交、直流)、規(guī)格 (電壓、電流)以及精度確定下來(lái)，用于選擇或設(shè)計(jì)電源。,,,