伺服系統(tǒng)設(shè)計

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 第五章第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計伺服系統(tǒng)設(shè)計 5.1概述概述 5.1.1 概念概念 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 在控制指令的指揮下在控制指令的指揮下,控制驅(qū)動元件控制驅(qū)動元件,使機械系統(tǒng)的運動部件使機械系統(tǒng)的運動部件 按照指令要求進(jìn)行運動的系統(tǒng)。按照指令要求進(jìn)行運動的系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)有伺服系統(tǒng)有閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)與與開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)之分。之分。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，其工作過程是偏差不斷產(chǎn)生又不斷閉環(huán)伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，其工作過程是偏差不斷產(chǎn)生又不斷 消除的過程。消除的過程。 舉例：舉例： 步進(jìn)電機滾珠絲杠伺服驅(qū)動系統(tǒng)（開環(huán)位置控制伺服

2、系統(tǒng)）。步進(jìn)電機滾珠絲杠伺服驅(qū)動系統(tǒng)（開環(huán)位置控制伺服系統(tǒng)）。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 5.1.2 伺服系統(tǒng)的類型及要求伺服系統(tǒng)的類型及要求 一、類型一、類型 1 按被控量分按被控量分: 有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系統(tǒng)。有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系統(tǒng)。 2 按控制方式分按控制方式分: 有有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)。等伺服系統(tǒng)。 3 按驅(qū)動元件性質(zhì)分按驅(qū)動元件性質(zhì)分: 有有電動、液壓、氣動電動、液壓、氣動等伺服系統(tǒng)。等伺服系統(tǒng)。 二、二、 基本要求基本要求 1、穩(wěn)定性要求穩(wěn)定性要求 穩(wěn)定的系統(tǒng)在受到外界干擾時穩(wěn)定的系統(tǒng)在受到外界干擾時,

3、 其輸出響應(yīng)的過度過程隨時間的增加而其輸出響應(yīng)的過度過程隨時間的增加而 衰減衰減; 不穩(wěn)定的系統(tǒng)其輸出響應(yīng)的過度過程隨時間的增加而增加，或表現(xiàn)為等不穩(wěn)定的系統(tǒng)其輸出響應(yīng)的過度過程隨時間的增加而增加，或表現(xiàn)為等 幅振。幅振。 穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)（如貫性穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)（如貫性 剛剛 度度 阻尼阻尼 增益等），與外界作用信號的性質(zhì)或形式無關(guān)。增益等），與外界作用信號的性質(zhì)或形式無關(guān)。 2、精度要求精度要求 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟輸入量的近似程度。伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟輸入量的近似程度。 3 、快速響應(yīng)性要求快速響應(yīng)性要求 快

4、速響應(yīng)快速響應(yīng) 輸出跟隨輸入信號的變化程度以及動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅輸出跟隨輸入信號的變化程度以及動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅 速程度。速程度。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 5. 2 伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行器件及其控制伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行器件及其控制 5.2.1 概述概述 一、執(zhí)行器件類型：一、執(zhí)行器件類型： 1 、電氣式電氣式：步進(jìn)電機：步進(jìn)電機 直流伺服電機直流伺服電機 交流交流伺服電機伺服電機等。等。 2 、液壓式液壓式：液壓缸：液壓缸 液壓馬達(dá)等，控制性能不如伺服電機。液壓馬達(dá)等，控制性能不如伺服電機。 3 、氣壓式氣壓式：氣缸：氣缸 氣馬達(dá)等，較難伺服控制。氣馬達(dá)等，較難伺服控制。 二、對

5、執(zhí)行器件的要求：二、對執(zhí)行器件的要求： 慣性小，動力大；體積小，質(zhì)量輕；好控制，成本低；可靠慣性小，動力大；體積小，質(zhì)量輕；好控制，成本低；可靠 性好等。性好等。 5.2.2 直流伺服電動機及控制直流伺服電動機及控制 書上只介紹了速度控制（不要求）書上只介紹了速度控制（不要求） 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 5.2.3 步進(jìn)電動機及其控制步進(jìn)電動機及其控制 一、工作原理一、工作原理 如下圖所示：如下圖所示： 定子上有定子上有6個齒，三對磁極，轉(zhuǎn)子上分布有個齒，三對磁極，轉(zhuǎn)子上分布有4個齒。個齒。 定子上三相繞組（三對磁極）輪流通電，吸引轉(zhuǎn)子一步一步旋轉(zhuǎn)。定子上三相繞組（三對磁極）輪

6、流通電，吸引轉(zhuǎn)子一步一步旋轉(zhuǎn)。 每通斷電一次，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，圖為每通斷電一次，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，圖為30。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 二、通電方式及步距角計算二、通電方式及步距角計算 （一）通電方式（一）通電方式 定子繞組每通斷電操作一次稱為一拍。定子繞組每通斷電操作一次稱為一拍。 三相單三拍通電方式：三相單三拍通電方式： ABC A 三相雙三拍通電方式：三相雙三拍通電方式： AB BC CA AB 三相六拍（單雙輪流）通電方式：三相六拍（單雙輪流）通電方式： A AB B BC C CA A 改變各相繞組的通斷電順序可實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。改變各相繞組的通斷電

7、順序可實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。 一般對于一般對于m相步進(jìn)電機有：相步進(jìn)電機有： 1、 m相單相單m拍通電方式。拍通電方式。 2、 m相雙相雙m拍通電方式。拍通電方式。 3、 m相相2倍倍m拍通電方式。拍通電方式。 m相單相單m拍通電方式為單相通電方式，由于矩頻特性差拍通電方式為單相通電方式，由于矩頻特性差,容易失步容易失步,實際較實際較 少采用。少采用。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （二）步距角計算（二）步距角計算 =360/(cmz) 步距角；步距角； z轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； m步進(jìn)電機的相數(shù)；步進(jìn)電機的相數(shù)； c 通電方式系數(shù)，單拍或雙拍通電時取通電方式系數(shù)，單拍或雙拍通電時取1，單雙

8、輪流通電時取，單雙輪流通電時取2。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 三、步進(jìn)電機的主要性能指標(biāo)及特性三、步進(jìn)電機的主要性能指標(biāo)及特性 1、最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax 步進(jìn)電機運行頻率為零（轉(zhuǎn)速為零）時的輸出轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機運行頻率為零（轉(zhuǎn)速為零）時的輸出轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電機運行頻率步進(jìn)電機運行頻率步進(jìn)電機繞組每秒鐘通斷電次數(shù)。步進(jìn)電機繞組每秒鐘通斷電次數(shù)。 步進(jìn)電機工作時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般取最大靜轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機工作時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般取最大靜轉(zhuǎn)矩的30 % 50 %。 2、步距角及其精度步距角及其精度（誤差）（誤差） 空載時實測步距角與理論步距角之差空載時實測步距角與理論步距角之差. 反應(yīng)了步進(jìn)

9、電機的制造精度。反應(yīng)了步進(jìn)電機的制造精度。 步進(jìn)電機步距角精度較低的一般為步進(jìn)電機步距角精度較低的一般為10 30 , 精度高的可達(dá)精度高的可達(dá) 2 5 。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 3、步進(jìn)電機矩角特性、步進(jìn)電機矩角特性靜態(tài)時轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。靜態(tài)時轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。 什么是失調(diào)角？什么是失調(diào)角？ 保持一相（單拍）或兩相（雙拍）繞組通電保持一相（單拍）或兩相（雙拍）繞組通電 ，此時定子與轉(zhuǎn)子的齒對齊，此時定子與轉(zhuǎn)子的齒對齊， 當(dāng)轉(zhuǎn)子加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)子加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)角，角，角稱為失調(diào)角。轉(zhuǎn)矩與角稱為失調(diào)角。轉(zhuǎn)矩與關(guān)系見下關(guān)系見下 圖：圖： 機電一體化系

10、統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 4 4、啟動矩頻特性、啟動矩頻特性 啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。 啟動頻率啟動頻率電機在有外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，不失步啟動的最高脈沖頻率。電機在有外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，不失步啟動的最高脈沖頻率。 失步失步轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)不等于輸入的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)不等于輸入的脈沖數(shù)。 啟動矩頻特性曲線見下圖。啟動矩頻特性曲線見下圖。 由圖可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大所允許的最大啟動頻率就越小。由圖可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大所允許的最大啟動頻率就越小。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 5、啟動慣頻特性、啟動慣頻特性 啟動慣頻特性啟動慣頻特性 啟動頻率與轉(zhuǎn)動慣量（純慣性負(fù)載）

11、之間的關(guān)系。啟動頻率與轉(zhuǎn)動慣量（純慣性負(fù)載）之間的關(guān)系。 如圖下所示，負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量越大，允許最大啟動頻率就越低。如圖下所示，負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量越大，允許最大啟動頻率就越低。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 6、連續(xù)運行矩頻特性、連續(xù)運行矩頻特性 電機啟動后不失步運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系。電機啟動后不失步運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系。 如下圖所示，電機輸出轉(zhuǎn)矩隨運行頻率的增加而減小。如下圖所示，電機輸出轉(zhuǎn)矩隨運行頻率的增加而減小。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 7、步進(jìn)運行和低頻振蕩、步進(jìn)運行和低頻振蕩 步進(jìn)運行步進(jìn)運行 當(dāng)輸入脈沖頻率很低時，脈沖周期大于電機

12、的過渡過程時當(dāng)輸入脈沖頻率很低時，脈沖周期大于電機的過渡過程時 間，電機處于一步一停的狀態(tài)。間，電機處于一步一停的狀態(tài)。 低頻振蕩低頻振蕩步進(jìn)電機運行的頻率（較低時）與電機的固有頻率相等或步進(jìn)電機運行的頻率（較低時）與電機的固有頻率相等或 接近時，會發(fā)生共振，使電機產(chǎn)生振蕩不前的現(xiàn)象。接近時，會發(fā)生共振，使電機產(chǎn)生振蕩不前的現(xiàn)象。 避免低頻振蕩方法避免低頻振蕩方法 ：（：（1）避開固有頻率運行；（）避開固有頻率運行；（2）調(diào)節(jié)電機上阻尼器）調(diào)節(jié)電機上阻尼器 改變固有頻率。改變固有頻率。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 四、四、步進(jìn)電機的控制與驅(qū)動步進(jìn)電機的控制與驅(qū)動 要使步進(jìn)電機正確

13、運轉(zhuǎn)，必須按一定順序?qū)Χㄗ痈飨嗬@組勵磁，以要使步進(jìn)電機正確運轉(zhuǎn)，必須按一定順序?qū)Χㄗ痈飨嗬@組勵磁，以 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，即按一定規(guī)律將控制脈沖分配給步進(jìn)電機各繞組。步進(jìn)電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，即按一定規(guī)律將控制脈沖分配給步進(jìn)電機各繞組。步進(jìn)電機 每接收一個脈沖將相應(yīng)轉(zhuǎn)過一定的角度。每接收一個脈沖將相應(yīng)轉(zhuǎn)過一定的角度。 按一定規(guī)律將指令脈沖分配給步進(jìn)電機各繞組的器件稱脈沖分配器。按一定規(guī)律將指令脈沖分配給步進(jìn)電機各繞組的器件稱脈沖分配器。 脈脈 沖分配器有硬件與軟件之分。沖分配器有硬件與軟件之分。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （一）（一）軟件脈沖分配器軟件脈沖分配器與控制編程與控制編程 軟件

14、脈沖分配器軟件脈沖分配器用計算機程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配。用計算機程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配。 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例： 已知數(shù)控機床某方向進(jìn)給系統(tǒng)脈沖當(dāng)量已知數(shù)控機床某方向進(jìn)給系統(tǒng)脈沖當(dāng)量=0.01mm（脈沖當(dāng)（脈沖當(dāng) 量：一個脈沖（一個步距角）前進(jìn)的距離。量：一個脈沖（一個步距角）前進(jìn)的距離。 =(p)/(360 i ) ，其中，其中 步距角，步距角，P導(dǎo)程，導(dǎo)程， i傳動比），計算機晶振頻率為傳動比），計算機晶振頻率為6M，選用四相，選用四相 電機，四相八拍工作方式，要求工作臺以電機，四相八拍工作方式，要求工作臺以V=1000mm/min的速度前進(jìn)的速度前進(jìn)2mm ， 設(shè)計步進(jìn)電機驅(qū)動硬件及軟件設(shè)計步進(jìn)電機驅(qū)

15、動硬件及軟件 （采用軟件脈沖分配器）。（采用軟件脈沖分配器）。 1 1、硬件（、硬件（ 接口）設(shè)計接口）設(shè)計 當(dāng)當(dāng)P1.0P1.0置低電平時，對應(yīng)的置低電平時，對應(yīng)的A A向為高電平，步進(jìn)電機相應(yīng)繞組帶電。向為高電平，步進(jìn)電機相應(yīng)繞組帶電。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 2 2、四相八拍脈沖分配表、四相八拍脈沖分配表 每個控制數(shù)據(jù)高每個控制數(shù)據(jù)高4 4位值為位值為F F（理論上可為任意值）。（理論上可為任意值）。 按按1 1到到8 8的序號送控制數(shù)據(jù)為正轉(zhuǎn)；的序號送控制數(shù)據(jù)為正轉(zhuǎn)； 按按8 8到到1 1的序號送控制數(shù)據(jù)為反轉(zhuǎn)。的序號送控制數(shù)據(jù)為反轉(zhuǎn)。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺

16、服系統(tǒng)設(shè)計 3 3、脈沖分配軟件、脈沖分配軟件 任務(wù)：按一定順序及時間間隔將控制脈沖分配給步進(jìn)電機各繞組，以任務(wù)：按一定順序及時間間隔將控制脈沖分配給步進(jìn)電機各繞組，以 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。 編程思路編程思路 ： mov R1,#19H ;共走共走200步步 LP: mov P1,#0FEH LCALL YS ;調(diào)用延時子程序，延時調(diào)用延時子程序，延時0.6ms。0.6200=120ms200=120ms mov P1,#0FCH LCALL YS ;調(diào)用延時子程序調(diào)用延時子程序 . . DJNZ R1, LP 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 脈沖分配控制程序：脈沖分配控制程

17、序： （1）按序號查表求控制數(shù)據(jù)，結(jié)果存放在）按序號查表求控制數(shù)據(jù)，結(jié)果存放在55H單元單元 內(nèi)存使用安排：內(nèi)存使用安排：02H中存正反轉(zhuǎn)標(biāo)志，中存正反轉(zhuǎn)標(biāo)志，0正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)，1反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn) 52H中存節(jié)拍序號，中存節(jié)拍序號，01H08H 55H中存控制數(shù)據(jù)（程序運行結(jié)果）中存控制數(shù)據(jù)（程序運行結(jié)果） MCFP：MOV R1，#52H ； 用用R1間接尋址，間接尋址，52H中存節(jié)拍序號中存節(jié)拍序號 MOV C，02H ； 正反轉(zhuǎn)標(biāo)志送正反轉(zhuǎn)標(biāo)志送C寄存器寄存器 JC PPD2 ；若；若C=1（反轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn))跳轉(zhuǎn)到跳轉(zhuǎn)到PPD2 ，否則往下執(zhí)行正轉(zhuǎn)程序，否則往下執(zhí)行正轉(zhuǎn)程序 INC R1 ; 節(jié)拍序號加

18、節(jié)拍序號加1, 正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn) CJNE R1, #09H, PPD3 ; R1R1與與#09H#09H比較不相等比較不相等( ( 序號序號9)0)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)PPD3(求控制數(shù)據(jù)求控制數(shù)據(jù)) MOV R1, #08H 若序號若序號=0 則則 序號單元置序號單元置8, 即即52H=8 PPD3: MOV A, R1 ; 序號送累加器序號送累加器A ADD A, #03H ; A的內(nèi)容加查表偏移量的內(nèi)容加查表偏移量(3字節(jié)字節(jié)), 結(jié)果在結(jié)果在A中中 MOVC A, A+PC ; 根據(jù)序號查表得控制數(shù)據(jù)根據(jù)序號查表得控制數(shù)據(jù), 結(jié)果在結(jié)果在A中中 MOV 55H, A ; 控制數(shù)據(jù)送控制數(shù)據(jù)送55H單元單元(

19、2字節(jié)字節(jié)) RET ; 返回返回(1字節(jié)字節(jié)) DB: 0FEH, 0FCH, 0FDH, 0F9H, 0FBH, 0F3H, 0F7H, 0F6H 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （2 2）以一定的時間間隔將）以一定的時間間隔將55H55H中數(shù)據(jù)送中數(shù)據(jù)送P1P1口口( (應(yīng)滿足要求應(yīng)滿足要求: : V=1000V=1000mm/minmm/min的速度前進(jìn)的速度前進(jìn)2 2mm) mm) 思路思路: : 利用定時中斷計數(shù)器發(fā)出中斷信號利用定時中斷計數(shù)器發(fā)出中斷信號, , 準(zhǔn)時地、等間隔地將準(zhǔn)時地、等間隔地將55H55H中數(shù)中數(shù) 據(jù)送據(jù)送P1P1口?？?。 1)1)、計算定時中斷時間

20、常數(shù)、計算定時中斷時間常數(shù)( (采用采用T0T0定時中斷計數(shù)器定時中斷計數(shù)器) ) 如果采用定時模式如果采用定時模式1 1，即通過，即通過1616位計數(shù)器位計數(shù)器TH0TH0（高（高8 8位）位）TL0TL0（低（低8 8位）計位）計 數(shù)，計數(shù)滿產(chǎn)生中斷。數(shù)，計數(shù)滿產(chǎn)生中斷。 中斷快慢取決于：中斷快慢取決于：晶振頻率（晶振振蕩晶振頻率（晶振振蕩1212次計一個數(shù)）。次計一個數(shù)）。 開始計數(shù)時開始計數(shù)時TH0TL0TH0TL0已存有的數(shù)已存有的數(shù)( (時間常數(shù)時間常數(shù)) )大小。大小。 時間常數(shù)大則計滿數(shù)快，數(shù)小則慢。時間常數(shù)大則計滿數(shù)快，數(shù)小則慢。 時間常數(shù)：時間常數(shù)：T Tx x=2=216

21、 16 (5f (5fOSC OSC)/v )/v 式中，式中， f fOSC OSC為晶振頻率 為晶振頻率 ， 為脈沖當(dāng)量為脈沖當(dāng)量 ， v v 為工作臺移動速度。為工作臺移動速度。 T Tx x=2=216 16 (5f (5fOSC OSC)/v = 65536 5 )/v = 65536 56 610106 60.01/1000=652360.01/1000=65236 =15 =1516163 3+14+1416162 2+13+1316+4=0FED4H16+4=0FED4H 2 2）、計算進(jìn)給步數(shù)）、計算進(jìn)給步數(shù) 步數(shù)步數(shù)= =進(jìn)給距離進(jìn)給距離/ / 脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量=2/ 0=

22、2/ 0.01.01=200=0C8H=200=0C8H 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 3) 程序清單程序清單 JGkZJGkZ：MOV R4MOV R4，#0C8H #0C8H ； 進(jìn)給步數(shù)送進(jìn)給步數(shù)送R4R4。 MOV 52HMOV 52H，#01H #01H ； 節(jié)拍序號節(jié)拍序號1 1送內(nèi)存送內(nèi)存52H52H。 MOV TL0MOV TL0，#0D4H #0D4H ； 送時間常數(shù)低送時間常數(shù)低4 4位到定時計數(shù)器。位到定時計數(shù)器。 MOV TH0MOV TH0，#0FEH #0FEH ； 送時間常數(shù)高送時間常數(shù)高4 4位到定時計數(shù)器。位到定時計數(shù)器。 LOP0LOP0：MOV

23、 02H MOV 02H ，#00H #00H ； 正轉(zhuǎn)標(biāo)志正轉(zhuǎn)標(biāo)志#00#00送內(nèi)存送內(nèi)存02H02H。 LOP1LOP1：LCALL MCFP LCALL MCFP ； 調(diào)用調(diào)用“求脈沖分配控制數(shù)據(jù)求脈沖分配控制數(shù)據(jù)”子程序，結(jié)果在子程序，結(jié)果在55H55H中中. . MOV R3 MOV R3 ，#01H #01H ； R3R3中存放中斷與否標(biāo)志，中存放中斷與否標(biāo)志，R3=1R3=1未中斷，未中斷，R3=0R3=0已中斷已中斷. . SETB TR0 SETB TR0 ； 啟動定時器啟動定時器T0T0。 SETB ET0 SETB ET0 ； T0T0開放中斷。開放中斷。 LOP2LOP

24、2：CJNE R3 CJNE R3 ，#00H#00H，LOP2 LOP2 ； R3R3與與#00#00比較不相等則等待，中斷完成比較不相等則等待，中斷完成R3=#00HR3=#00H。 DJNZ R4 DJNZ R4 ，LOP1 LOP1 ； R4R4減減1 1（步數(shù)減（步數(shù)減1 1），不為零轉(zhuǎn)），不為零轉(zhuǎn)LOP1LOP1繼續(xù)。繼續(xù)。 RETRET T0 T0中斷程序（定時向電機輸出進(jìn)給脈沖）中斷程序（定時向電機輸出進(jìn)給脈沖） T0T0入口：入口：000BH AJMP 200H000BH AJMP 200H ORG 200H ORG 200H MOV TL0 MOV TL0，#0D4H #0

25、D4H ； 重裝重裝 時間常數(shù)，為什么要重裝？時間常數(shù)，為什么要重裝？ MOV TH0MOV TH0，#0FEH #0FEH MOV P1 MOV P1 ，55H 55H ； 將控制數(shù)據(jù)送將控制數(shù)據(jù)送P1P1口輸出，控制數(shù)據(jù)由口輸出，控制數(shù)據(jù)由“MCFP”MCFP”求得求得 MOV R3 MOV R3 ，#00H #00H ； 將中斷完成標(biāo)志將中斷完成標(biāo)志“#00H”#00H”送送R3R3 RETI RETI ； 中斷返回中斷返回 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （3） 如何調(diào)速？如何調(diào)速？ 改變時間常數(shù)即可改變電機進(jìn)運行速度。改變時間常數(shù)即可改變電機進(jìn)運行速度。 時間常數(shù)增大時間常

26、數(shù)增大計數(shù)器溢出所用的時間短計數(shù)器溢出所用的時間短每次中斷每次中斷 所用的時間就少所用的時間就少電機運行頻率加快電機運行頻率加快電機運行速度變快。電機運行速度變快。 反之，時間常數(shù)減小反之，時間常數(shù)減小電機運行速度減慢。電機運行速度減慢。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （二（二）硬件脈沖分配器硬件脈沖分配器及其接口及其接口 1、概念、概念 硬件脈沖分配器大多作成集成芯片，硬件脈沖分配器大多作成集成芯片，由硬件（由硬件（芯片）芯片）本身本身 實現(xiàn)脈沖分配。實現(xiàn)脈沖分配。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 國內(nèi)外有多種芯片型號，現(xiàn)國內(nèi)外有多種芯片型號，現(xiàn) 以國產(chǎn)芯片以國產(chǎn)芯片Y

27、B013YB013為例說明硬件為例說明硬件 脈沖分配器的使用。脈沖分配器的使用。 右圖是右圖是YB013 YB013 脈沖分配器管脈沖分配器管 腳圖。腳圖。 E0E0：輸出選通：輸出選通 A1 A0A1 A0：見表：見表5-35-3 E1 E2 E1 E2：輸入選通：輸入選通 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 2、硬件脈沖分配器接口硬件脈沖分配器接口 A0=1，A1=0，三相六拍通電方式。，三相六拍通電方式。 P1.0置高電平（置高電平（SETB P1.0）電機正轉(zhuǎn)，置低電平（）電機正轉(zhuǎn)，置低電平（CLR P1.0）電機反轉(zhuǎn)。）電機反轉(zhuǎn)。 P1.1輸出的脈沖數(shù)量（高低各置一次）決定電機

28、旋轉(zhuǎn)角度。輸出的脈沖數(shù)量（高低各置一次）決定電機旋轉(zhuǎn)角度。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （三（三）驅(qū)動電路驅(qū)動電路 由于光電隔離輸出的控制信號其功率有限，一般不能直接驅(qū)動步進(jìn)電由于光電隔離輸出的控制信號其功率有限，一般不能直接驅(qū)動步進(jìn)電 機，需要功率放大，即驅(qū)動。驅(qū)動電路種類很多，下圖示出了一種驅(qū)動機，需要功率放大，即驅(qū)動。驅(qū)動電路種類很多，下圖示出了一種驅(qū)動 電路。電路。 圖中，來自脈沖分配器的工作脈沖，圖中，來自脈沖分配器的工作脈沖， 經(jīng)電流放大后加到功率三極管經(jīng)電流放大后加到功率三極管T的基極，的基極， 使使T導(dǎo)通；電容導(dǎo)通；電容C 的作用是在導(dǎo)通起始的作用是在導(dǎo)通起始 時

29、刻使電機繞組電流迅速上升；時刻使電機繞組電流迅速上升；T 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 時電阻時電阻R 起限流作用，起限流作用，T截止時二極管截止時二極管 起釋放繞組中能量的作用。由于電阻起釋放繞組中能量的作用。由于電阻R 的功耗大，效率低，此電路只適用于小的功耗大，效率低，此電路只適用于小 型步進(jìn)電機。型步進(jìn)電機。 市場上有商品驅(qū)動模塊供應(yīng)，可根市場上有商品驅(qū)動模塊供應(yīng)，可根 據(jù)用途選購。據(jù)用途選購。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 5. 3開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計 什么是開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)？什么是開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)？ 無檢測反饋元件的伺服系統(tǒng)無檢測反饋元件的伺服系統(tǒng)稱開環(huán)控制的伺

30、服系統(tǒng)。稱開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不存在穩(wěn)定性問題，但精度低不存在穩(wěn)定性問題，但精度低。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 一一. 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計 一般來說，各種開環(huán)伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理上常有類似之處，其原理框圖一般來說，各種開環(huán)伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理上常有類似之處，其原理框圖 見圖見圖5-31。 1. 執(zhí)行元件選擇執(zhí)行元件選擇 執(zhí)行元件可以是執(zhí)行元件可以是步進(jìn)電機步進(jìn)電機，也可以是，也可以是交流電機或直流伺服電機交流電機或直流伺服電機，還可以，還可以 是電液脈沖馬達(dá)或伺服液壓缸等。是電液脈沖馬達(dá)或伺服液壓缸等。 不同的執(zhí)行元件，接口及功放

31、電路有所不同。不同的執(zhí)行元件，接口及功放電路有所不同。 2. 傳動機構(gòu)方案選擇傳動機構(gòu)方案選擇 傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的一個接口。傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的一個接口。 圖圖5-32的傳動機構(gòu)為減速器和絲杠螺母副。絲杠螺母副用于將旋轉(zhuǎn)運動的傳動機構(gòu)為減速器和絲杠螺母副。絲杠螺母副用于將旋轉(zhuǎn)運動 變?yōu)橹本€運動，減速器的作用主要是增大轉(zhuǎn)矩，匹配慣量，配湊脈沖當(dāng)量。變?yōu)橹本€運動，減速器的作用主要是增大轉(zhuǎn)矩，匹配慣量，配湊脈沖當(dāng)量。 3. 執(zhí)行機構(gòu)方案選擇根據(jù)實際需要及要求選擇。執(zhí)行機構(gòu)方案選擇根據(jù)實際需要及要求選擇。 4. 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括微機（工控機控制系

32、統(tǒng)包括微機（工控機 PLC 單片機）單片機） 接口電路及驅(qū)動電路等，接口電路及驅(qū)動電路等， 這些在前面已作介紹。這些在前面已作介紹。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 二二. 機械系統(tǒng)設(shè)計計算機械系統(tǒng)設(shè)計計算 以圖以圖5-32所示的開環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的機械傳動原理圖為例，說明設(shè)計所示的開環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的機械傳動原理圖為例，說明設(shè)計 計算方法。計算方法。 （一）確定脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電機步距角（一）確定脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電機步距角 根據(jù)系統(tǒng)精度要求定脈沖當(dāng)量，一般根據(jù)系統(tǒng)精度要求定脈沖當(dāng)量，一般p=0.0050.01mm。 在綜合考慮轉(zhuǎn)矩在綜合考慮轉(zhuǎn)矩 運動精度及價格的前提下選定電機，

33、步距角隨電機的選定而運動精度及價格的前提下選定電機，步距角隨電機的選定而 確定，一般為零點幾度到十幾度。確定，一般為零點幾度到十幾度。 （二）計算減速器傳動比（二）計算減速器傳動比 i = （P） （ 360p） 步距角 步距角 P導(dǎo)程導(dǎo)程 p脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量 傳動比傳動比 步距角步距角 脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量 導(dǎo)程四者之間可互相調(diào)配，互相兼顧。導(dǎo)程四者之間可互相調(diào)配，互相兼顧。 當(dāng)傳動比較大時（一級傳動不可能實現(xiàn)時），如何確定傳動級數(shù)？當(dāng)傳動比較大時（一級傳動不可能實現(xiàn)時），如何確定傳動級數(shù)？ 如何分配傳動比？如何分配傳動比？ 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 1. 按圖按圖5-33確定傳

34、動級數(shù)確定傳動級數(shù) 原則：原則：JGJP盡量小，盡量小， 級數(shù)也應(yīng)盡量小。級數(shù)也應(yīng)盡量小。 舉例：舉例： 當(dāng)當(dāng)i =2時，選時，選1 級傳動；級傳動； 當(dāng)當(dāng)i = 3時，選時，選2 級傳動；級傳動； 當(dāng)當(dāng)i =4時，選時，選2 級傳動；級傳動； 當(dāng)當(dāng)i =15時，選時，選3 級傳動。級傳動。 2. 按圖按圖5-34分配傳動比分配傳動比 舉例：舉例： （1） i =4，2級傳動時，級傳動時，i1=1. 8 i2=2. 2 （2）i =15，3級傳動時，級傳動時，i1=1. 7 i2=2. 3 i3=3. 8 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （三）計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量（三）計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量

35、步進(jìn)電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量直接影響電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，所有傳動件的轉(zhuǎn)動慣步進(jìn)電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量直接影響電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，所有傳動件的轉(zhuǎn)動慣 量都應(yīng)折算到電機軸上，以獲得當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量量都應(yīng)折算到電機軸上，以獲得當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量Jd （單位：單位：Kgm2） 。 圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算：圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算： J=（d4L）32 電機軸上當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量：電機軸上當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量： Jd=JZ1+（JZ2+JS）i2+（P（2i）2m JZ1電機軸上齒輪的轉(zhuǎn)動慣量電機軸上齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 JZ2絲杠軸上齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 絲杠軸上齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 JS絲杠轉(zhuǎn)動慣量 絲杠轉(zhuǎn)動慣量 P 絲杠導(dǎo)程 絲杠導(dǎo)程 機電一體化系統(tǒng)

36、設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （四）步進(jìn)電機動力參數(shù)的確定（四）步進(jìn)電機動力參數(shù)的確定 1. 步進(jìn)電機的最大靜轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機的最大靜轉(zhuǎn)矩TS（TS是選擇電機的主要參數(shù)）是選擇電機的主要參數(shù)） TS maxTS1 ，TS2 TS1啟動時（空載或有載）電機所需最大靜轉(zhuǎn)矩；啟動時（空載或有載）電機所需最大靜轉(zhuǎn)矩； TS2 最大外載工作時，電機所需最大靜轉(zhuǎn)矩。最大外載工作時，電機所需最大靜轉(zhuǎn)矩。 TS1 =Tq K Tq啟動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由下式求得啟動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由下式求得 ： Tq=（Jm+Jd）+p（F+Fw）（2i）+PF0（1-02）（2i ） K系數(shù)（系數(shù)（K=TqTs1），由有關(guān)表查得（與電機相

37、數(shù)及運行拍數(shù)有關(guān)）。，由有關(guān)表查得（與電機相數(shù)及運行拍數(shù)有關(guān)）。 TS2=T1（0. 30. 5） T1最大外載下工作時電機軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由最大外載下工作時電機軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由Tq 減去慣量項求得。減去慣量項求得。 T1=p（F+Fw）（2i）+PF0（1-02）（2i ） 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 2. 步進(jìn)電機最大啟動頻率及最大運行頻率步進(jìn)電機最大啟動頻率及最大運行頻率 根據(jù)啟動轉(zhuǎn)矩根據(jù)啟動轉(zhuǎn)矩Tq及負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1，由電機，由電機啟動矩頻特性曲線及啟動矩頻特性曲線及連續(xù)運行矩連續(xù)運行矩 頻特性曲線（電機不同，曲線也會有所不同）可查出最大啟動頻率及最大運頻特性曲線（電

38、機不同，曲線也會有所不同）可查出最大啟動頻率及最大運 行頻率，實際啟動及運行時應(yīng)低于這一頻率。行頻率，實際啟動及運行時應(yīng)低于這一頻率。 （五）驗算慣量匹配（五）驗算慣量匹配 電機軸的當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量電機軸的當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量Jd與電機軸自身轉(zhuǎn)動慣量與電機軸自身轉(zhuǎn)動慣量Jm（與電機有關(guān)的與電機有關(guān)的 已知參數(shù)）的比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)：已知參數(shù)）的比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)： 14Jd Jm1 Jd Jm太大時系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負(fù)載特性，使系統(tǒng)的綜合性能變太大時系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負(fù)載特性，使系統(tǒng)的綜合性能變 差；差；Jd Jm太小經(jīng)濟性差。太小經(jīng)濟性差。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)

39、計 （六）計算傳動系統(tǒng)剛度（六）計算傳動系統(tǒng)剛度 傳動系統(tǒng)剛度主要由傳動系統(tǒng)剛度主要由KL KN KB三部分組成。三部分組成。 KL絲杠本身的拉壓剛度，由絲杠本身的拉壓剛度，由表表5-8 中有關(guān)公式計算；中有關(guān)公式計算； KN絲杠螺母間的接觸剛度，由有關(guān)表格查得（常為已知條件）； 絲杠螺母間的接觸剛度，由有關(guān)表格查得（常為已知條件）； KB軸承及軸承座的支承剛度，由有關(guān)表格查得（常為已知條件） 軸承及軸承座的支承剛度，由有關(guān)表格查得（常為已知條件） 。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 絲杠傳動的綜合剛度絲杠傳動的綜合剛度K0根據(jù)根據(jù)KL KN KB由由表表5-9 中有關(guān)公式計算。中有

40、關(guān)公式計算。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 三三. 機械系統(tǒng)動態(tài)特性分析機械系統(tǒng)動態(tài)特性分析 什么是機械系統(tǒng)動態(tài)特性？什么是機械系統(tǒng)動態(tài)特性？ 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)動態(tài)特性動態(tài)特性包括包括快速響應(yīng)性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，共振頻率快速響應(yīng)性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，共振頻率等。等。 影響動態(tài)特性的參數(shù)主要有兩個：影響動態(tài)特性的參數(shù)主要有兩個： 系統(tǒng)系統(tǒng)無阻尼固有頻率無阻尼固有頻率 n 及及系統(tǒng)阻尼比系統(tǒng)阻尼比 。 1. 系統(tǒng)無阻尼固有頻率系統(tǒng)無阻尼固有頻率n 縱向振動：縱向振動： n=(K0 m) K0絲杠螺母綜合拉壓剛度；絲杠螺母綜合拉壓剛度； m絲杠和工作臺的等效集中質(zhì)量。絲杠和工作臺的等效集中質(zhì)量

41、。 m=m1+1(3m2) ； m1為工作臺質(zhì)量，為工作臺質(zhì)量， m2為絲杠質(zhì)量。為絲杠質(zhì)量。 扭轉(zhuǎn)振動：扭轉(zhuǎn)振動： n=(KS JS) KS折算到絲杠上當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度；折算到絲杠上當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度； JS折算到絲杠上當(dāng)量扭轉(zhuǎn)慣量。折算到絲杠上當(dāng)量扭轉(zhuǎn)慣量。 n影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。增大影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。增大n可加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，還有利于避可加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，還有利于避 開輸入信號頻率范圍，防止共振。開輸入信號頻率范圍，防止共振。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 可提高剛度可提高剛度, , 減小慣量或工作臺質(zhì)量來增大減小慣量或工作臺質(zhì)量來增大n n , ,設(shè)計時一般取設(shè)計時一般取 n n3

42、00rad/S(f= 300rad/S(f= n n /2) /2) 2 2、系統(tǒng)阻尼比、系統(tǒng)阻尼比 縱向振動縱向振動：=f / 2(mk=f / 2(mk0 0) ) f f工作臺導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù)；工作臺導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù)； m m 及及k k0 0 的含義同上。的含義同上。 扭轉(zhuǎn)振動扭轉(zhuǎn)振動：=f=fS S/ 2(J/ 2(JS Sk kS S) ) f fS S絲杠轉(zhuǎn)動的當(dāng)量粘性系數(shù)；絲杠轉(zhuǎn)動的當(dāng)量粘性系數(shù)； J JS S及及k kS S 的含義同上。的含義同上。 阻尼比阻尼比 大，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低振動影響的幅值，減小超大，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低振動影響的幅值，減小超 調(diào)量，

43、但會降低系統(tǒng)的定位精度以及系統(tǒng)的響應(yīng)速度。調(diào)量，但會降低系統(tǒng)的定位精度以及系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 一般取一般取 =0. 40. 8 =0. 40. 8（存在一定的超調(diào)量）。設(shè)計時給出具體的阻尼（存在一定的超調(diào)量）。設(shè)計時給出具體的阻尼 數(shù)據(jù)很困難，一般不進(jìn)行定量分析，可參照前人的成果定性分析，或通過實數(shù)據(jù)很困難，一般不進(jìn)行定量分析，可參照前人的成果定性分析，或通過實 驗獲得具體數(shù)據(jù)。驗獲得具體數(shù)據(jù)。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 四四. . 系統(tǒng)誤差分析系統(tǒng)誤差分析 在開環(huán)控制伺服系統(tǒng)中無檢測反饋裝置，輸入與輸出之間總會存在誤差，在開環(huán)控制伺服系統(tǒng)中無檢測反饋裝置，輸入與輸出之間總會存在

44、誤差， 主要有兩個方面。主要有兩個方面。 （一）（一）死區(qū)誤差死區(qū)誤差 死區(qū)誤差死區(qū)誤差啟動或反向時輸入與輸出之間的差值。啟動或反向時輸入與輸出之間的差值。 如果忽略電氣系統(tǒng)（很?。┘伴g隙（可消除）所產(chǎn)生的死區(qū)誤差，則系如果忽略電氣系統(tǒng)（很?。┘伴g隙（可消除）所產(chǎn)生的死區(qū)誤差，則系 統(tǒng)的死區(qū)誤差主要取決于摩擦力引起的變形統(tǒng)的死區(qū)誤差主要取決于摩擦力引起的變形（未考慮軸向負(fù)載）未考慮軸向負(fù)載） 。 =F =F K K0 0 （m m） F F 導(dǎo)軌靜摩擦力（導(dǎo)軌靜摩擦力（N N ）；）； K K0 0絲杠螺母機構(gòu)綜合拉壓剛度（絲杠螺母機構(gòu)綜合拉壓剛度（N N m m）。）。 最大反向死區(qū)誤差：最

45、大反向死區(qū)誤差： =2 =2 = =（ （2 F2 F ） ）K K0 0= =（2g2g0 0）n n2 2 （m m） g -g -重力加速度（重力加速度（9 9.8m.8mS S2 2）；）； 0 0-導(dǎo)軌靜摩擦系數(shù)；導(dǎo)軌靜摩擦系數(shù)； n n-工作臺縱向固有頻率工作臺縱向固有頻率 。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （二）由剛度變化引起的（二）由剛度變化引起的定位誤差定位誤差 定位誤差指的是工作臺的實際位置與理論位置之差。定位誤差指的是工作臺的實際位置與理論位置之差。 當(dāng)工作臺處于不同位置時，絲杠螺母機機構(gòu)的綜合拉壓剛度是變化的，當(dāng)工作臺處于不同位置時，絲杠螺母機機構(gòu)的綜合拉壓

46、剛度是變化的， 這種變化會引起定位誤差這種變化會引起定位誤差k 。 在不考慮軸向負(fù)載的情況下，整個行程范圍內(nèi)最大定位誤差：在不考慮軸向負(fù)載的情況下，整個行程范圍內(nèi)最大定位誤差： kmax= FK0min F K0max （單位：單位：m） F 工作臺重力引起的靜摩擦力（工作臺重力引起的靜摩擦力（N）；）； K0min K0max工作臺行程范圍內(nèi)絲杠副最小和最大綜合拉壓剛度（工作臺行程范圍內(nèi)絲杠副最小和最大綜合拉壓剛度（N /m)。 kmax的大小一般占系統(tǒng)允許定位誤差的的大小一般占系統(tǒng)允許定位誤差的1/3左右。左右。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 5.4 閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計閉環(huán)

47、控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計 什么是閉環(huán)控制系統(tǒng)？什么是閉環(huán)控制系統(tǒng)？ 對系統(tǒng)的輸出進(jìn)行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制的系統(tǒng)對系統(tǒng)的輸出進(jìn)行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制的系統(tǒng) 稱之為閉環(huán)控制系統(tǒng)。稱之為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)輸出的物理量形式各種各樣，有位移系統(tǒng)輸出的物理量形式各種各樣，有位移 溫度溫度 壓力壓力 流量流量 速度等。速度等。 因此，有位置閉環(huán)控制，溫度閉環(huán)控制，壓力閉環(huán)控制，流量閉環(huán)控制等。因此，有位置閉環(huán)控制，溫度閉環(huán)控制，壓力閉環(huán)控制，流量閉環(huán)控制等。 下面是數(shù)控機床常用的位置閉環(huán)、半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。下面是數(shù)控機床常用的位置閉環(huán)、半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。 機電一體化系

48、統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 舉例：電冰箱是典型的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。舉例：電冰箱是典型的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。 自動供水系統(tǒng)是閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。自動供水系統(tǒng)是閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。 5.4.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計 總體上說方案設(shè)計應(yīng)綜合考慮如下幾個問題：總體上說方案設(shè)計應(yīng)綜合考慮如下幾個問題： 1、用戶技術(shù)要求、用戶技術(shù)要求 一般用戶技術(shù)要求包括如下內(nèi)容：精度要求，性能指標(biāo)要求，壽命要求，一般用戶技術(shù)要求包括如下內(nèi)容：精度要求，性能指標(biāo)要求，壽命要求， 穩(wěn)定性、可靠性要求，外觀要求等。穩(wěn)定性、可靠性要求，外觀要求等。 2、價格要求、價格要求 3、市場供貨狀態(tài)、市場供貨狀態(tài) 所選元器件市場

49、能否買到，是否流行，售后服務(wù)如何等。所選元器件市場能否買到，是否流行，售后服務(wù)如何等。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計及元件的選擇是與現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展及市場的供貨狀態(tài)系統(tǒng)總體方案設(shè)計及元件的選擇是與現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展及市場的供貨狀態(tài) 緊密聯(lián)系的。緊密聯(lián)系的。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 5.4.2 伺服電機驅(qū)動位置控制閉環(huán)伺服伺服電機驅(qū)動位置控制閉環(huán)伺服 系統(tǒng)（交流伺服電機驅(qū)動與此類似）。系統(tǒng)（交流伺服電機驅(qū)動與此類似）。 （一）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（一）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的原理框圖系統(tǒng)的原理框圖: 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 1、在系統(tǒng)的原理框圖中，位置控制放大器、速度控制放大器、速度傳感、

50、在系統(tǒng)的原理框圖中，位置控制放大器、速度控制放大器、速度傳感 器、位置傳感器可看成是比例環(huán)。器、位置傳感器可看成是比例環(huán)。 2、直流伺服電機可看成是一個慣性環(huán)節(jié)，傳遞函輸為：、直流伺服電機可看成是一個慣性環(huán)節(jié)，傳遞函輸為： G1（s）= Km （1+ jS） （1） Km電壓與角速度的比例系數(shù)；電壓與角速度的比例系數(shù)； j時間常數(shù)，與轉(zhuǎn)子回路電阻及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等因素有關(guān)；時間常數(shù)，與轉(zhuǎn)子回路電阻及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等因素有關(guān)； S將時間函數(shù)進(jìn)行拉氏變換后的參數(shù)。將時間函數(shù)進(jìn)行拉氏變換后的參數(shù)。 3、積分環(huán)節(jié)將轉(zhuǎn)速變?yōu)檗D(zhuǎn)角，傳遞函輸為：、積分環(huán)節(jié)將轉(zhuǎn)速變?yōu)檗D(zhuǎn)角，傳遞函輸為： G2（s） = 1S （2

51、） 4、機械系統(tǒng)可看成是一個二階振蕩環(huán)節(jié)，由質(zhì)量塊、機械系統(tǒng)可看成是一個二階振蕩環(huán)節(jié)，由質(zhì)量塊 彈簧彈簧 阻尼構(gòu)成，傳遞阻尼構(gòu)成，傳遞 函輸為：函輸為： G3（s） = （K3n2）（）（S2 + 2nS + n2） （3） n2 無阻尼固有頻率；無阻尼固有頻率； 阻尼系數(shù)；阻尼系數(shù)； K3 = P （2i），）， P導(dǎo)程，導(dǎo)程， i傳動比。傳動比。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)的方框圖如右圖所示系統(tǒng)的方框圖如右圖所示: 其傳遞函數(shù)為：其傳遞函數(shù)為： W（S） =X（S ）RP （S） = K1K2G1G2G3 1+K2G1K+K1K2G1G2G3KP 將將G1（s） = K

52、m （1+ jS）、）、G2（s） = 1S 、 G3（s）= K3n2 （S2+2nS+n2）代入上式得：代入上式得： K1K2KmK3 n2 （1+ jS）S（S2+2nS+n2） 1+K2 KmK （1+ jS）+ K1K2KmK3n2KP （1+ jS）S）S2+2nS+n2） 化簡后得：化簡后得： K1K2KmK3 n2 S（1+K2 KmK+ jS）（）（S2+2nS+n2）+K1K2K3KP Km n2 這是一個高階系統(tǒng)，為便于分析，應(yīng)進(jìn)行簡化。這是一個高階系統(tǒng)，為便于分析，應(yīng)進(jìn)行簡化。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 （二）數(shù)學(xué)模型簡化（二）數(shù)學(xué)模型簡化 假設(shè)幾種理想

53、狀態(tài)，以便定性分析，實際上理想狀態(tài)不可能，只能是近似。假設(shè)幾種理想狀態(tài)，以便定性分析，實際上理想狀態(tài)不可能，只能是近似。 1. 假定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)是理想的，沒有慣性（假定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)是理想的，沒有慣性（G1=Km），），沒有阻尼，剛性為沒有阻尼，剛性為 無窮大（無窮大（G3=K3），只有積分環(huán)節(jié)），只有積分環(huán)節(jié)G2(s) = 1/S ，則可簡化為一階系統(tǒng)，如下，則可簡化為一階系統(tǒng)，如下 簡化圖所示（簡化圖所示（ 將將G3（s） 改為改為K3 ） 。 在簡化圖中在簡化圖中K2 = K2Km （1+ K2 KmK ） 傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為： W(S) = K1K2 G2 K3 1+ K1K2 G2 K3KP 令令K= K1K2 K3KP , 將將G2= 1S 代入得：代入得： 這是一個一階慣性環(huán)節(jié)。