伺服系统的稳态设计.pptx

2 2.1 1 设 计 概 述 速度控制系统和位置控制系统的共同特点是：通过系统的执行元件直接或经机械传动装置带动被控对象，完成要求的机械运动。因此工程上对它们的技术要求，主要是围绕着机械运动的规律和运动参数的要求。2.1 设计概述第1页/共225页 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1）2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2）2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3）2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、5 4）2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第第二二章章 伺伺服服系系统统的的稳稳态态设设计计第2页/共225页2 2.1 1.1 1 速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 1.1.速速 度度 调调 节节 要要 求求 ：u可可 逆逆 性性 要要 求：单求：单 向向 调调 速、可速、可 逆逆 调调 速速u平平 滑滑 性性 要要 求：有求：有 级级 调调 速、无速、无 级级 调调 速速u连连 续续 性性 要要 求求：调调 速速 是是 连连 续续 的的 还还 是是 容容 许许 有有 间间 歇歇 的的 。2.1 设计概述第3页/共225页2 2.1 1.1 1 速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.2.系系 统统 输输 出出 轴轴 要要 求求 ：u最最 大大 转转 速：速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s)u最最 低低 平平 稳稳 转转 速：速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s)u调调 速速 范范 围围 D：2.1 设计概述第4页/共225页2 2.1 1.1 1 速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 指 标 要 求 3.3.系系 统统 输输 出出 轴轴 上上 负负 载载 力力 矩矩 变变 化化 时时 ，控，控 制制 精精 度度 技技 术术 指指 标标 ：u转转 速速 降降 n（）：n=n0 n 其其 中：中：n0-控控 制制 信信 号号 一一 定定 的的 情情 况况 下下，理理 想想 的的 空空 载载 转转 速速 n -控控 制制 信信 号号 一一 定定 的的 情情 况况 下下，满满 载载 时时 的的 转转 速速u静静 差差 率率 ：=2.1 设计概述第5页/共225页2 2.1 1.1 1 速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 4.阶阶 跃跃 输输 入入 下下 系系 统统 的的 动动 态态 响响 应应 特特 性性 ：u最最 大大 超超 调调 量量%u调调 节节 时时 间间 t ts s：偏：偏 差差 在在 55 或或 22 范范 围围u振振 荡荡 次次 数数 N N2.1 设计概述第6页/共225页2 2.1 1.1 1 速度控制系统通常的技术要求 5.5.负负 载载 扰扰 动动 下下 的的 动动 态态 响响 应应 特特 性性 ：阶阶 跃跃 扰扰 动动 或或 脉脉 冲冲 扰扰 动动 下下 ，u最最 大大 转转 速速 降降 n nmaxmax(或或 maxmax或或V Vmaxmax)u调调 整整 时时 间间 t tsf 2.1 设计概述第7页/共225页2 2.1 1.1 1 速 度 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 6.其其 它它 要要 求求 ：u工工 作作 制制 的的 要要 求求 ：长长 期期 连连 续续 运运 行行 制制 、间、间 歇歇 运运 行行 制制 、短短 时时 运运 行行 制制 。u系系 统统 可可 靠靠 性性 要要 求求 ：通通 常常 用用 连连 续续 运运 行行 无无 故故 障障 时时 间间 来来 衡衡 量量 。u使使 用用 寿寿 命命u使使 用用 环环 境境 条条 件件 ：环环 境境 温温 度度 、湿、湿 度度 、振、振 动动 、抗、抗 冲冲 击击 、防、防 水水 、防、防 化化 、防、防 辐辐 射射 、电、电 源源 条条 件件 的的 限限 制制u经经 济济 性性 要要 求求 ：生生 产产 成成 本本 、标、标 准准 化化 程程 度度u结结 构构 型型 式式 要要 求求 ：体体 积积 、质、质 量量 、安、安 装装 特特 点点 等等2.1 设计概述第8页/共225页 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1）2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2）2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3）2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、5 4）2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第第二二章章 伺伺服服系系统统的的稳稳态态设设计计第9页/共225页2 2.1 1.2 2 位置控制系统通常的技术要求 1.速速 度度 调调 节节 要要 求求 ：u平平 滑滑 性性 要要 求：有求：有 级级 调调 速、无速、无 级级 调调 速速u可可 逆逆 性性 要要 求：单求：单 向向 调调 速、可速、可 逆逆 调调 速速u连连 续续 性性 要要 求求：调调 速速 是是 连连 续续 的的 还还 是是 容容 许许 有有 间间 歇歇 的的 。2.1 设计概述第10页/共225页2 2.1 1.2 2 位置控制系统通常的技术要求 2.2.系系 统统 输输 出出 轴轴 要要 求求 ：u最最 大大 转转 速：速：nmax(r/min)、max(rad/s)、Vmax(m/s)u最最 低低 平平 稳稳 转转 速：速：nmin(r/min)、min(rad/s)、Vmin(m/s)u调调 速速 范范 围围 D：2.1 设计概述第11页/共225页2 2.1 1.2 2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 3.3.系系 统统 静静 误误 差差 e es s (系系 统统 静静 差差)随随 动动 系系 统统 通通 常常 设设 计计 成成 无无 静静 差差 系系 统统，当当系系统统静静止止协协调调时时，没没有有位位置置误误差差。但但实实际际 系系 统统 存存 在在 非非 线线 性性 因因 素素，如如：测测 角角 元元 件件的的 分分 辨辨 率率 有有 限限、系系 统统 输输 出出 端端 机机 械械 运运 动动 部部分分 存存 在在 干干 摩摩 擦擦 等等 等等，都都 将将 给给 系系 统统 造造 成成 一一定定 的的 静静 误误 差差 。2.1 设计概述第12页/共225页2 2.1 1.2 2 位 置 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 4.4.阶阶 跃跃 输输 入入 下下 系系 统统 的的 动动 态态 响响 应应 特特 性性 ：u最最 大大 超超 调调 量量%u调调 节节 时时 间间 t ts s：偏：偏 差差 在在 55 或或 22 范范 围围u振振 荡荡 次次 数数 N N2.1 设计概述第13页/共225页2 2.1 1.2 2 位 置 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 5.等等 速速 跟跟 踪踪 时，负时，负 载载 扰扰 动动 下下 的的 动动 态态 响响 应应 特特 性性 ：u最最 大大 误误 差差 角角 e em m fu过过 渡渡 过过 程程 时时 间间 t tsf 2.1 设计概述第14页/共225页2 2.1 1.2 2 位 置 控 制 系 统 通 常 的 技 术 要 求 6.6.系系 统统 跟跟 踪踪 状状 态态 下下 的的 误误 差差 指指 标标 ：u速度误差速度误差e ev vu最大正弦误差最大正弦误差e emu相相 对对 精精 度度 指指 标标：速速 度度 品品 质质 系系 数数 Kv:(1/s)(1/s)加加 速速 度度 品品 质质 系系 数数 Ka:(1/s(1/s2 2)2.1 设计概述第15页/共225页2 2.1 1.2 2 位置控制系统通常的技术要求 7.7.频频 率率 响响 应应 特特 性性 指指 标标 要要 求求u振振 荡荡 指指 标标 Mp:位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 闭闭 环环 幅幅 频频 特特 性性 A A (p p )的的 最最 大大 值值 与与 A(0)A(0)的的 比比 值值 ；(一一 般般 位位 置置 伺伺 服服 系系 统统 无无 静静 差差 ：A(0)=1)A(0)=1)u频频 带带 宽宽 度度 b:闭闭 环环 幅幅 频频 特特 性性 A(A(b b)=0.7070.707 时时 的的 角角 频频 率。率。u相相 角角 储储 量量 2.1 设计概述第16页/共225页2 2.1 1.2 2 位置控制系统通常的技术要求 8.8.其其 它它 要要 求求 ：u工工 作作 制制 的的 要要 求求 ：长长 期期 连连 续续 运运 行行 制制 、间、间 歇歇 运运 行行 制制 、短短 时时 运运 行行 制制 。u系系 统统 可可 靠靠 性性 要要 求求 ：通通 常常 用用 连连 续续 运运 行行 无无 故故 障障 时时 间间 来来 衡衡 量量 。u使使 用用 寿寿 命命u使使 用用 环环 境境 条条 件件 ：环环 境境 温温 度度 、湿、湿 度度 、振、振 动动 、抗、抗 冲冲 击击 、防、防 水水 、防、防 化化 、防、防 辐辐 射射 、电、电 源源 条条 件件 的的 限限 制制u经经 济济 性性 要要 求求 ：生生 产产 成成 本本 、标、标 准准 化化 程程 度度u结结 构构 型型 式式 要要 求求 ：体体 积积 、质、质 量量 、安、安 装装 特特 点点 等等2.1 设计概述第17页/共225页 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1）2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2）2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3）2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、5 4）2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第第二二章章 伺伺服服系系统统的的稳稳态态设设计计第18页/共225页2 2.1 1.3 3 伺 服 系 统 的 设 计 步 骤一、调 研 1.选 定 伺 服 系 统 各 部 件 型 号；2.确 定 各 部 件 间 接 口 方 式；3.选 择 伺 服 系 统 的 控 制 方 案；4.确 定 伺 服 系 统 的 主 干 线 路、辅 助 线 路 及 电 源二、理 论 设 计 1.稳 态 设 计 负 载 分 析 计 算 选 择 执 行 电 机 选 择 检 测 元 件 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 和 选 择 2.传 递 函 数 的 推 导 3.动 态 设 计 希望 特 性 的 绘 制 设 计 校 正 环 节三、调 试2.1 设计概述第19页/共225页 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1）2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2）2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3）2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、5 4）2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第第二二章章 伺伺服服系系统统的的稳稳态态设设计计第20页/共225页2.2 负载的分析计算2 2.2 2.1 1 几 种 典 型 负 载 直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动干 摩 擦 负 载粘 性 摩 擦 负 载惯 性 负 载干干 摩摩 擦擦 力力 Fc（N）:Fc=|Fc|Sign V 式中：式中：V-负负 载载 线线 速速 度度干干 摩摩 擦擦 力力 矩矩 Mc（N m）:Mc=|Mc|Sign 式中：式中：-负负 载载 角角 速速 度度粘粘 性性 摩摩 擦擦 力力 矩矩 Mb（N m）:Mb=b2 2 式中：式中：b2(N s m)粘性摩擦系数粘性摩擦系数 惯惯 性性 力力 矩矩 MJ（N m）:MJ=J 式中：式中：（rad/s2)-负负 载载 角角 加加 速速 度度粘粘 性性 摩摩 擦擦 力力 Fb（N）:Fb=b1 1 V 式中：式中：b1 1(N s/m)粘性摩擦系数粘性摩擦系数惯惯 性性 力力 Fm（N）:Fm=m a 式中：式中：a(m/s2)-负负 载载 线线 加加 速速 度度1.1.2.2.3.3.第21页/共225页2 2.2 2.1 1 几 种 典 型 负 载直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动旋 转 运 动位 能 负 载弹 性 负 载风 阻 负 载重重 力力 W W（N）:W=m g 不不 平平 衡衡 力力 矩矩 MW（N m）弹弹 性性 力力 矩矩 Mk（N m）:Mk=k2 2 式中：式中：k2(N m/rad)弹性摩擦系数弹性摩擦系数 角位移角位移风风 阻阻 力力 矩矩 Mt（N m）:Mt=f2 2 2 式中：式中：f2（N m s2)风阻系数风阻系数 弹力弹力Fk(N):Fk =k1 1 L 式中：式中：K1 1(N/m)弹弹性摩擦系数性摩擦系数 L(m)线线 位位 移移风风 阻阻 力力 Ft（N）:Ft=f1 1 V2 式中：式中：f1 1(N s2/m2)风阻系数风阻系数4.4.5.5.6.6.2.2 负载的分析计算第22页/共225页 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1）2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2）2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3）2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、5 4）2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第第二二章章 伺伺服服系系统统的的稳稳态态设设计计第23页/共225页2 2.2 2.2 2 负 载 的 折 算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第24页/共225页2 2.2 2.2 2 负 载 的 折 算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第25页/共225页uu 直线运动直线运动 电 机负 载F=Fc+Fb+Fm=Fc+b1v+(md+mz)a式中式中:F -电机轴受到的合力电机轴受到的合力 md -电机动子质量电机动子质量 mz -负载质量负载质量2.2 负载的分析计算第26页/共225页2 2.2 2.2 2 负 载 的 折 算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第27页/共225页u 旋 转 运 动电 机负 载M=Mc+MJ=Mc+(Jd+Jz)式式中中:M -电机轴受到的合力矩电机轴受到的合力矩 Jd -电机转动惯量电机转动惯量 Jz -负载转动惯量负载转动惯量2.2 负载的分析计算第28页/共225页2 2.2 2.2 2 负 载 的 折 算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第29页/共225页u 考 虑 减 速 比iz22z11z31z21z12z32123电 机负 载d=i zd=i zd=i zi=i1 i2 i3 式 中：i1、i2、i3 -各各 级级 齿齿 轮轮 减减 速速 比比 i -齿齿 轮轮 减减 速速 器器 总总 的的 减减 速速 比比2.2 负载的分析计算第30页/共225页2 2.2 2.2 2 负载的折算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第31页/共225页u 考 虑 传 动 效 率z22z11z31z21z12z32123电 机负 载电电机机的的输输出出功功率率与与负负载载消消耗耗功功率率相相等等 Md d=MZ ZMd=-MZi d=i z2.2 负载的分析计算第32页/共225页2 2.2 2.2 2 负载的折算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第33页/共225页u 负载参数的折算第34页/共225页u 负载参数的折算第35页/共225页u 负载参数的折算第36页/共225页2 2.2 2.2 2 负 载 的 折 算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第37页/共225页u 单 轴 传 动已 知：负 载 W=m g，转 子 转 动 惯 量 Jd，辘 轮 转 动 惯 量 Jp，直 径 2R，电 机 和 辘 轮 的 角 速 度 为 ，负 载 线 速 度 v=Rl 提提 升升 负负 载载 时时，电电 机机 轴轴 上上 的的 总总 负负 载载 力力 矩矩l 下下 降降 负负 载载 时时，电电 机机 轴轴 上上 的的 总总 负负 载载 力力 矩矩 M=MJ-MW=(Jd+JP+m R2)2-W R电 机负 载 辘 轮W2.2 负载的分析计算 M=MJ+MW=(Jd+JP+mR2)12 2.2 2.2 2 负 载 的 折 算1.单 轴 传 动2.多 轴 传 动3.直 线 运 动 与 旋转 运 动 转 换直 线 运 动旋 转 运 动考 虑 减 速 比 i考 虑 传 动 效 率负载参数的折算单 轴 传 动多 轴 传 动2.2 负载的分析计算第39页/共225页u 多 轴 传 动电 机负 载 辘 轮Wz22z11z31z21z12z32123若 电 机 轴 与 辘 轮 之 间 存 在 减 速比 i 和 传 动 效 率 ，则 l 提提 升升 负负 载载 时时，电电 机机 轴轴 上上 的的 总总 负负 载载 力力 矩矩 M=MJ+MW=(Jd+)1+.l 下下 放放 负负 载载 时时，电电 机机 轴轴 上上 的的 总总 负负 载载 力力 矩矩 M=MJ-MW=(Jd+)2-.2.2 负载的分析计算第40页/共225页 2.1 设 计 概 述（旧版书：5 1）2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算（旧版书：5 2）2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择（旧版书：5 3）2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择（旧版书：第二章、5 4）2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.3 振 幅 调 制 线 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)线 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 和 选 择（旧版书：5 4）2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计（旧版书：5 4）第第二二章章 伺伺服服系系统统的的稳稳态态设设计计第41页/共225页2 2.2 2.3 3 负载的综合计算负 载 运 动 有 规 律负 载 运 动 没 有 固 定 规 律负载力矩不仅与负载性质有关，还与运动状况有关。2.2 负载的分析计算第42页/共225页u 负 载 运 动 有 规 律 龙 门 刨 床 工 作 台 的 控 制 系 统：执 行 电 动 机 转 子 的 转 动 惯 量 Jd,减 速 齿 轮 组 的 减 速 比 i,与 齿 条 相 啮 合 的 齿 轮 节 圆 半 径 R,总 传 动 效 率 ，往 复 运 动 部 分 的 总 质 量 m,干 摩 擦 力 Fc,切 削 加 工 时 的 切 削 阻 力 Fp,其 它 因 素 可 忽 略。例1齿条工工 件件工作台工作台刨刀电电 机机tMC(c)t0MP(d)MJ0t(e)M0t0(f)tt1t2t3t4t5t60(b)M=2.2 负载的分析计算MC+MP+MJ第43页/共225页 考 虑 实 际 加 工 过 程 往 复次数 多，需 要 检 验 执 行 电 机 的 发 热 与 温 升，为 此 要 计 算 一 周 内 转 矩 的 均 方根 值 Mdx，这 主 要 由 于Q=I2 R t，而 M=Km I，因此 考 虑 Mdx 即 可 检 验 执 行 电 机 的 温 升 与 发 热。M0t0(f)t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6M M1 1M M2 2M M3 3M M4 4M M5 5M M6 6若 考 虑 到 电 机 在 起 动、制 动 过 程 中 低 转 速 时 散 热 条 件 差，故 加 权 系 数 1。一 般 可 取 =0.75。若 起 动 段 和 制动 段 在 一 个 周 期 内 占 的 比 例 较 大，可 取 =0.5。2.2 负载的分析计算第44页/共225页2 2.2 2.3 3 负 载 的 综 合 计 算负 载 运 动 有 规 律负 载 运 动 没 有 固 定 规 律负载力矩不仅与负载性质有关，还与运动状况有关。2.2 负载的分析计算第45页/共225页u 负 载 运 动 没 有 固 定 规 律 C C =m m sinsin i t t C C =m m i coscos i t t =m m i sin(sin(it+90t+90O O)C C =-m m i2 2 sinsin it t =m m i2 2 sin(sin(it+180t+1800 0)m m =m m i m m =m m i2 2 m m =m m2 2/m m i =m m/m m2.2 负载的分析计算Mdx第46页/共225页 某 随 动 系 统 的 最 大 跟 踪 角 速 度 为 m，最 大 跟 踪 角 加 速 度 为 m，电 机 转 子 转 动 惯 量 为 Jd，传 动 比 为 i，传 动 效 率 为 ，被 控 对 象 的 干 摩 擦 力 矩 为 MC，转 动 惯 量 是 Jz，现 求 等 效 正 弦 运 动 时 的 Mdx。例2等效正弦运动的周期：T=2/i=2 m/m2.2 负载的分析计算第47页/共225页负载的计算必须针对具体对象具体的对待 不存在千篇一律的公式！2.2 负载的分析计算第48页/共225页第 二 章 伺服系统的稳态设计 2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行 元 件 的 选 择 2.3.1 执 行 元 件 概 述 2.3.2 执 行 电 机 的 选 择 2.4 检 测 装 置 的 选 择 2.4.1 伺 服 系 统 的 测 速 与 测 角 2.4.2 检 测 装 置 的 选 择 和 设 计 2.5 信 号 转 换 电 路 的 设 计 与 选 择 2.5.1 概 述 2.5.2 相 敏 整 流 电 路 2.5.4 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)线 路 2.5.3 频 压 转 换 电 路 2.6 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.6.1 功 率 放 大 装 置 概 述 2.6.2 放 大 装 置 的 设 计 与 选 择 2.7 电 源 设 备 等 装 置 的 设 计 与 选 择（书：（书：5 5 1 1）（书：（书：5 5 2 2）（书：（书：5 5 3 3）（书：（书：第二章第二章、5 5 4 4）（书：（书：5 5 4 4）（书：（书：5 5 4 4）（书：（书：5 5 4 4）第49页/共225页2.3.1 2.3.1 执 行 元 件 概 述1.执执 行行 元元 件件 种种 类类2.2.电电 磁磁 感感 应应 定定 律律 回回 顾顾3.3.直直 流流 伺伺 服服 电电 动动 机机u它它 激激/永永 磁磁 直直 流流 电电 动动 机机u直直 流流 力力 矩矩 电电 动动 机机4.4.交交 流流 伺伺 服服 电电 动动 机机u两两 相相 异异 步步 电电 动动 机机第50页/共225页1.执行元件种类2.3 执行元件的选择执 行 电 动 机直 流 电 动 机液 压 元 件交 流 电 动 机液 压 电 机液 压 动 力 缸液 压 步 进 电 机它 励 直 流 电 动 机串 励 直 流 电 动 机直 流 力 矩 电 动 机直 流 无 刷 电 动 机永 磁 电 动 机两 相 异 步 电 动 机三 相 异 步 电 动 机滑 差 电 动 机同 步 电 动 机步 进 电 动 机第51页/共225页2.3.1 执 行 元 件 概 述1.执 行 元 件 种 类2.电 磁 感 应 定 律 回 顾3.直 流 伺 服 电 动 机u它 激/永 磁 直 流 电 动 机u直 流 力 矩 电 动 机4.交 流 伺 服 电 动 机u两 相 异 步 电 动 机第52页/共225页2.电 磁 感 应 定 律 回 顾u 线 圈 感 应 电 动 势（法拉第 定 律）电电 机机 中中 常常 见见 的的 是是 磁磁 通通 随随 时时 间间 按按 正正 弦弦 规规 律律 变变 化化：2.3 执行元件的选择第53页/共225页BVe其中：其中：B-B-磁磁 感感 应应 强强 度度 l -切切 割割 磁磁 力力 线线 的的 直直 导导 体体 的的 长长 度度 V-V-直直 导导 体体 切切 割割 磁磁 力力 线线 的的 线线 速速 度度u 导 体 切 割 磁 力 线 的 感 应 电 动 势（右 手 定 则）2.3 执行元件的选择第54页/共225页 由由 于于 流流 过过 线线 圈圈 中中 的的 电电 流流 随随 时时 间间 变变 化化 而而在在 线线 圈圈 内内 感感 应应 的的 电电 动动 势势 称称 自自 感感 电电 动动 势势。若若 电电 流流i随随 时时 间间 按按 正正 弦弦 规规 律律 变变 化化：u 自 感 电 动 势2.3 执行元件的选择第55页/共225页u 电 磁 力 定 律载载 流流 导导 体体 在在 磁磁 场场 中中 受受 到到 电电 磁磁 力力 的的 作作 用用。当当 磁磁 场场 与与 导导 体体 互互 相相 垂垂 直直 时时，作作 用用 在在 导导 体体上上 的的 电电 磁磁 力力 的的 方方 向向 按按 左左 手手 定定 则则 确确 定定。2.3 执行元件的选择第56页/共225页2.3.1 执 行 元 件 概 述1.执 行 元 件 种 类2.电 磁 感 应 定 律 回 顾3.直 流 伺 服 电 动 机u它 激/永 磁 直 流 电 动 机u直 流 力 矩 电 动 机4.交 流 伺 服 电 动 机u两 相 异 步 电 动 机第57页/共225页3.直流伺服电动机u 它它 激激/永永磁磁直直流流电电动动机机 工工作作原原理理：iBff 动动态态方方程程：u ua au ua aR Ra aL La aia a 电电 枢枢 回回 路路 电电 压压 平平 衡衡 方方 程程 式式：电电 动动 机机 的的 电电 磁磁 转转 矩矩：电电枢枢绕绕组组感感应应电电动动势势：电电动动机机的的输输出出转转矩矩：2.3 执行元件的选择第58页/共225页 机机 械械 特特 性性机机 械械 特特 性性 指指 控控 制制 电电 压压 恒恒 定定 时时，电电 机机 的的 转转 速速随随 转转 矩矩 变变 化化 的的 关关 系系，即即ua=常常 数数，=f(M)ua=常常数数时时，M0 02.3 执行元件的选择第59页/共225页u 直流力矩电动机 定定义义：直直流流力力矩矩电电动动机机是是一一种种由由伺伺服服电电动动机机和和驱驱动动电电机机相相结结 合合 而而 形形 成成 的的 特特 殊殊 电电 机机。它它可可以以不不用用齿齿轮轮等等减减速速机机构构直直接接驱驱动动负负载载，并并由由输输入入控控制制电电压压信信号号直直接接调调节节负负载的转速。载的转速。在在位位置置控控制制方方式式的的伺伺服服系系统统中中，它它可可以以长长期期工工作作在在堵堵转转状状态态，而而在在速速度度伺伺服服系系统中又可以工作在低速状态，统中又可以工作在低速状态，且输出较大的转矩。且输出较大的转矩。Jd小，Ld可以忽略，Md大，Ta可以忽略。2.3 执行元件的选择第61页/共225页 机机 械械 特特 性性M0 0MfdMld 特 点2.3 执行元件的选择提高了位置和速度的控制精度其转矩-电流特性的线性度好运行可靠、维护简便、振动机械噪声小和结构紧凑等第62页/共225页2.3.1 执 行 元 件 概 述1.执 行 元 件 种 类2.电 磁 感 应 定 律 回 顾3.直 流 伺 服 电 动 机u它 激/永 磁 直 流 电 动 机u直 流 力 矩 电 动 机4.交 流 伺 服 电 动 机u两 相 异 步 电 动 机第63页/共225页4 4.交流伺服电动机 结构ujuc2.3 执行元件的选择u 两 相 异 步 电 动 机第64页/共225页 工工 作作 原原 理理 设设 ic向向 右右 为为 正正，ij向向下下 为为 正正，如如 右右 图图 所所 示示。uc在在 相相 位位 上上 滞滞 后后uj 9 9 0 00 0。ujuc+-+-ijicttujuc022.3 执行元件的选择第65页/共225页 控控 制制 方方 式式幅幅 值值 控控 制制相相 位位 控控 制制 幅幅 相相 控控 制制 ucujcu1.ucuj2.3 执行元件的选择第66页/共225页第 二 章 伺服系统的稳态设计 2.1 设 计 概 述 2.1.1 速 度 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.2 位 置 伺 服 系 统 通 常 的 技 术 要 求 2.1.3 设 计 步 骤 2.2 负 载 的 分 析 计 算 2.2.1 几 种 典 型 负 载 2.2.2 负 载 的 折 算 2.2.3 负 载 的 综 合 计 算 2.3 执 行