伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件

第一節(jié)概述一、伺服系統(tǒng)的基本概念伺服系統(tǒng)，亦稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的。因此伺服系統(tǒng)的工作過(guò)程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程。1二、伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式1.從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析2.伺服系統(tǒng)還可被看作是由電氣控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置兩大部分組成.2三、伺服系統(tǒng)的基本類(lèi)型1.按被控量的不同可將伺服系統(tǒng)分成位置、速度、力等伺服系統(tǒng)，其中最常見(jiàn)的是位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)等。2.按所采用的執(zhí)行元件的不同可將伺服系統(tǒng)分成電氣、液壓、氣動(dòng)等伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛。3.按控制方式的不同可將伺服系統(tǒng)分成開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)。3四、伺服系統(tǒng)的基本要求(一)穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性:是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(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)及組成元件的參數(shù)(如慣性、剛度、阻尼、增益等)，與外界作用信號(hào)(包括指令信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào))的性質(zhì)或形式無(wú)關(guān)。4(二)精度伺服系統(tǒng)的精度是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過(guò)程中通常存在著三種誤差，即動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)對(duì)變化的輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程往往是一個(gè)振蕩衰減的過(guò)程，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中輸出量與輸入量之間的偏差稱(chēng)為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束后，即在振蕩完全衰減掉之后，輸出量對(duì)輸入量的偏差可能會(huì)繼續(xù)存在，這個(gè)偏差稱(chēng)為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由系統(tǒng)組成元件本身的誤差及干擾信號(hào)所引起的系統(tǒng)輸出量對(duì)輸入量的偏差，這個(gè)偏差稱(chēng)為系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。5(三)快速響應(yīng)性

快速響應(yīng)性有兩方面含義:一、指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度;二、指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束的迅速程度。五、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及步驟(一)、設(shè)計(jì)要求分析，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)(二)、系統(tǒng)性能分析(三)、執(zhí)行元件及傳感器的選擇(四)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)(五)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(六)、系統(tǒng)性能復(fù)查(七)、系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)(八)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)定案6第二節(jié)伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一、執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類(lèi)型執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置接點(diǎn)部位的種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。伺服系統(tǒng)中所用到的執(zhí)行元件主要有下述幾類(lèi)：1．電氣式主要有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等2．液壓式主要有液壓缸、液壓馬達(dá)等，其優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大、動(dòng)作平穩(wěn)，但需要相應(yīng)的液壓源，占地面積大，容易漏油而污染環(huán)境，控制性能不如伺服電動(dòng)機(jī)。73．氣壓式主要有氣缸、氣馬達(dá)等，其優(yōu)點(diǎn)是氣源方便、成本低、動(dòng)作快，但輸出功率小，體積大、工作噪聲大，且難于伺服控制。二、伺服系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的要求1．慣性小、動(dòng)力大2．體積小、質(zhì)量輕3．便于計(jì)算機(jī)控制4．成本低、可靠性好、便于安裝和維修。8三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)電脈沖馬達(dá)，它實(shí)質(zhì)上也是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。(一)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理9轉(zhuǎn)動(dòng)方向：如果按A—B—C—A—…連續(xù)向各相繞組供電，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。反之如果按A—C—B—A—…供電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如果改變繞組的通斷電頻率，則可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。步距角：每通斷電一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)30°，稱(chēng)為一個(gè)步距角。(二)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式和步距角如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的每一次通斷電操作稱(chēng)為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余斷電，這種通電方式稱(chēng)為單相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相輪流通電一次共需三拍，稱(chēng)為一個(gè)通電循環(huán)，相應(yīng)的通電方式又稱(chēng)為三相單三拍通電方式。10如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，這種通電方式稱(chēng)為雙相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用雙相通電方式時(shí)，每個(gè)通電循環(huán)也需三拍，因而又稱(chēng)為三相雙三拍通電方式，即AB—BC—CA—AB—…。如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，這種通電方式稱(chēng)為單雙相輪流通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，每個(gè)通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱(chēng)為三相六拍通電方式，即A—AB—B—BC—C—CA—A—…。一般情況下，m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對(duì)應(yīng)的通電方式可分別稱(chēng)為m相單m拍、m相雙m拍或m相2m拍通電方式。11步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系。

12所謂步距角，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每一拍轉(zhuǎn)過(guò)的角度。一個(gè)m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如其轉(zhuǎn)子上有z個(gè)齒，則其步距角α可通過(guò)下式計(jì)算：式中，k是通電方式系數(shù)，(1)當(dāng)采用單相或雙相通電方式時(shí)，k＝1，(2)當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，k＝2。13(三)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)及特性

1．步距誤差是指空載時(shí)實(shí)測(cè)的步距角與理論的步距角之差。它反映了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角位移的精度。國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差一般在±10′～±30′范圍內(nèi)，精度較高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可達(dá)±2′～±5′。2．最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在某相始終通電而處于靜止不動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩，即所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩。反映了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)能力和低速步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載能力。3．啟動(dòng)矩頻特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在有外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，不失步地正常啟動(dòng)所能接受的最大階躍輸入脈沖頻率(又稱(chēng)啟動(dòng)頻率)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1490BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線(xiàn)15

4．啟動(dòng)慣頻特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)純慣性負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。165．運(yùn)行矩頻特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系。***選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)使實(shí)際應(yīng)用的運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行工作點(diǎn)位于運(yùn)行矩頻特性之下，才能保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不失步地正常運(yùn)行。***176．步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩當(dāng)輸入脈沖頻率很低時(shí)，脈沖周期如大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)處于一步一停的運(yùn)行狀態(tài)，這種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為步進(jìn)運(yùn)行。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都有一較低的固有頻率，當(dāng)步進(jìn)運(yùn)行頻率或低速運(yùn)行頻率與該固有頻率相等或接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩不前，這種現(xiàn)象稱(chēng)為低頻振蕩。一、使運(yùn)行頻率避開(kāi)固有頻率；避免低頻振蕩的現(xiàn)象發(fā)生采用的方法:二、當(dāng)前一方法不允許時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上的阻尼器來(lái)改變固有頻率。187．最大相電壓和最大相電流分別是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每相繞組所允許施加的最大電源電壓和流過(guò)的最大電流。19四、直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)迅速、精度和效率高、調(diào)速范圍寬、負(fù)載能力大、控制特性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。(一)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理直流伺服電動(dòng)機(jī)也主要由磁極、電樞、電刷及換向片等三部分組成。20(二)直流伺服電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型及特點(diǎn)1.直流伺服電動(dòng)機(jī)按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生方式可分為永磁式和他勵(lì)式兩類(lèi)，它們的性能相近。2.直流伺服電動(dòng)機(jī)按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀可分成平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。3.直流伺服電動(dòng)機(jī)還可按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小而分成大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。(三)直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式主要有兩種：一種是電樞電壓控制，即在定子磁場(chǎng)不變的情況下，通過(guò)控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號(hào)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩；另一種是勵(lì)磁磁場(chǎng)控制，即通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小來(lái)改變定子磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。21(四)直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性指電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁力矩和電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。22根據(jù)靜態(tài)特性方程，可得出直流伺服電動(dòng)機(jī)的兩種特殊運(yùn)行狀態(tài)：1)當(dāng)Tm＝0，即空載時(shí)，2)當(dāng)ω＝0，即啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí)，Td稱(chēng)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩或堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。23(1)在靜態(tài)特性方程中，如果把角速度ω看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即ω

＝f／(Tm)，則可得:24(2)在靜態(tài)特性方程中，如果把角速度ω看作是Ua的函數(shù)，即ω

＝f／(Ua)，則可得:25(五)影響靜態(tài)特性的因素1．功放電路對(duì)機(jī)械特性的影響由于采用功放電路供電（內(nèi)阻Ri），因而加在電樞繞組兩端的電壓Ua

，并不等于控制電壓Uc。26在設(shè)計(jì)直流伺服電動(dòng)機(jī)功放電路時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小其內(nèi)阻。272．直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦對(duì)調(diào)速特性的影響把從零到啟動(dòng)電壓這一電壓范圍稱(chēng)為不靈敏區(qū)或死區(qū)，電壓值處于該區(qū)內(nèi)時(shí)，不能使直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。283．負(fù)載變動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響29(六)直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)給電動(dòng)機(jī)電樞加上階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律。用表達(dá)式ω＝f(t)來(lái)描述。直流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因：電動(dòng)機(jī)中存在著兩種慣性，即機(jī)械慣性和電磁慣性。機(jī)械慣性：由直流伺服電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的，是造成機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的原因；電磁慣性：由電樞回路中的電感引起的，是造成電磁過(guò)渡過(guò)程的原因。由于電磁過(guò)渡過(guò)程比機(jī)械過(guò)渡過(guò)程要短得多。所以只考慮機(jī)械過(guò)渡過(guò)程，而忽略電磁過(guò)渡過(guò)程。30電樞回路中的動(dòng)態(tài)電壓平衡方程為：在過(guò)渡過(guò)程中，直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程為：3132式中，和分別稱(chēng)為直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電磁時(shí)間常數(shù)，反映兩種過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短的參數(shù)；Km稱(chēng)為直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)放大系數(shù)(1)當(dāng)直流伺服電動(dòng)機(jī)帶有恒定負(fù)載時(shí)，則dT1/dt＝0，于是上式可簡(jiǎn)化成：(2)在空載條件下，即T1＝0時(shí)，上式還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成33對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換得：34當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸入的電樞控制電壓Ua為一階躍信號(hào)。設(shè)其為單位階躍信號(hào)，即ua=11．欠阻尼情況(0<ζ<1)在欠阻尼情況下，電動(dòng)機(jī)角速度的過(guò)渡過(guò)程是一個(gè)衰減的振蕩過(guò)程，衰減過(guò)程的長(zhǎng)短由阻尼比ζ的大小決定。35上式說(shuō)明：電樞電路中電感La較大，電動(dòng)機(jī)及負(fù)載部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J較小。如果，La大，容易引起電路的振蕩；如果，J小，使得電動(dòng)機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的變化及擾動(dòng)輸入反應(yīng)靈敏。對(duì)于精度要求較高，過(guò)渡過(guò)程中不允許有過(guò)大超調(diào)的伺服系統(tǒng)是不利的。362．臨界阻尼情況(ζ＝1)在臨界阻尼情況下，電動(dòng)機(jī)角速度的過(guò)渡過(guò)程隨時(shí)間增加按指數(shù)規(guī)律趨近于恒定值Km，過(guò)渡過(guò)程中沒(méi)有超調(diào)，且達(dá)到穩(wěn)定值的速度較快。373．過(guò)阻尼情況(ζ>1)38為使直流伺服電動(dòng)機(jī)獲得平穩(wěn)的、無(wú)振蕩的角速度過(guò)渡過(guò)程，應(yīng)使為減小過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，應(yīng)盡量減小機(jī)電時(shí)間常數(shù)τj由式知為減小τj可設(shè)法減小電動(dòng)機(jī)電樞回路中的內(nèi)阻Ra和轉(zhuǎn)子及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，但這樣又會(huì)使電動(dòng)機(jī)易于振蕩。39通過(guò)加大力矩—慣量比的方法，既可加快過(guò)渡過(guò)程，又不致于引起振蕩。40(七)直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)(1)額定功率是指電動(dòng)機(jī)軸上輸出功率的額定值，即電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的輸出功率。在額定功率下允許電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行而不致過(guò)熱。(2)額定電壓是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組和電樞控制繞組上應(yīng)加的電壓額定值。(3)額定電流是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下，驅(qū)動(dòng)負(fù)載為額定功率時(shí)繞組中的電流。額定電流一般就是電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行所允許的最大電流。(4)額定轉(zhuǎn)速