2022年河南科技大学教案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案河南科技高校教案首页课程名称数控技术及装备任课老师10张丰收第 四 章进给伺服系统方案学时教学目的和要求：通过本章的学习, 使同学把握数控机床伺服机构和位置检测装置的工作原 理和选用方法；要求明白伺服系统的组成和分类, 把握步进电机及其驱动装置和常用数控 机床的位置检测装置的工作原理；重点：伺服电机及其驱动；常用位置检测装置的工作原理；难点：数控机床常用伺服电机及其驱动和调速掌握；摸索题：4-1试述进给他伺系统的组成以及各组成环节的作用和联系；4-2简述闭环进给伺服系统的掌握原理；4-3简述步进电机的工作原理和使用特性；4-4

2、哪些因素影响开环进给伺服系统的精度,哪些措施可以提高系统的精度？4-5试述位置检测装置的类型有哪些？常用的有哪些？名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编一. 进给伺服系统的定义及组成第一节精品教案概述1. 定义：进给伺服系统 Feed Servo System 以移动部件 掌握量的自动掌握系统；的位置 和速度 作为2. 组成：进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置掌握单元；速度掌握单元；驱 动元件 电机 ；检测与反馈单元；机械执行部件；二、 NC机床对数控进给伺服系统的要求 1. 调速范畴要宽且要有良好的稳固

3、性 在调速范畴内 调速范畴：一般要求：稳固性：指输出速度的波动要少,特殊是在低速时的平稳性显得特殊重 要；2. 输出位置精度要高 静态：定位精度和重复定位精度要高, 尺寸精度 即定位误差和重复定位误差要小；动态：跟随精度,这是动态性能指标, 用跟随误差表示； 轮廓精度 灵敏度要高,有足够高的分辩率；3. 负载特性要硬名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案在系统负载范畴内,当负载变化时,输出速度应基本不变；即F尽可能小；当负载突变时,要求速度的复原时间短且无振荡；即t 尽可能短；应有足够的过载才能；这是

4、要求伺服系统有良好的静态与动态刚度；4. 响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求,即在无超调的前提下,执行部件的运 动速度的建立时间 tp 应尽可能短；通常要求从 0 Fmax（Fmax0）,其时间应小于 200ms,且不能有超调,否就对机械部件不利,有害于加工质量 5. 能可逆运行和频繁敏捷启停；6. 系统的牢靠性高,保护使用便利,成本低；综上所述：. 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；. 对高精度的数控机床,对其动态性能的要求更严名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案其次节 进给

5、伺服系统的位置检测装置一、概 述组成 ：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的；作用 ：实时测量执行部件的位移和速度信号,并变换成位置掌握单元所要求的信号形式,将运动部件现实位置反馈到位置掌握单元,以实施闭环掌握；它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分；闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度打算的,在设计数控机床进给伺服系统,特殊是高精度进给伺服系统时,必需细心挑选 位置检测装置；1. 进给伺服系统对位置测量装置的要求 高牢靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小,工作牢靠,精度保持性好,抗干扰才能强；能满意精度和速度的要求：位置检测装置辨论率应高于数控机床

6、的辨论率（一个数量级）；位置检测装置最高答应的检测速度应数控机床的最高运行速度；使用保护便利,适应机床工作环境；成本低；3. 位置检测装置的分类 按输出信号的形式分类：数字式和模拟式 按测量基点的类型分类：增量式和肯定式 按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型常用位置检测装置分类表 二、 感应同步器 1. 感应同步器的结构及分类 结构名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案. 分类2. 感应同步器的工作原理 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时,由于电磁耦合的变化,感应绕组中的感应电

7、压随位移的变化而变化,借以进行位移量的检测； 感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组,定尺上的绕组是感应绕组；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案感应同步器的工作原理感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压 滑尺余旋绕组上加激磁电压Us后,与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos 1Uc后,与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos（ 1+ /2 ） = K Ucsin 1滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时,感应同步器的磁路可是为线性的,依据叠加原理,

8、就与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：Uo =Uos+ Uos=KUScos 1K Ucsin 1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角 滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取： 2 : 2 = x : 1 x = 1 结论：相对位移量 x 与 相位角 1 呈线性关系, 只要能测出相位角 1 ,就可 求得位移量 x ；依据滑尺正、余旋绕组上激磁电压 系统 - 鉴相型系统和鉴幅型系统3. 鉴相型系统的工作原理Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测在鉴相型系统中,激磁电压是频率、幅值相同,相位差为 /2 的交变电压：名师归纳总结 U S = U m sin t UC = U m co

9、s t第 6 页,共 34 页就： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin 1= K Um sin t cos 1K Um cos t sin 1= K U m sin （ t 1）结论： 只要能测出 Uo与US相位差 1 ,就可求得滑尺与定尺相对位移量 x ；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案4. 鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中,激磁电压是频率、相位相同,幅值不同的交变电压： US = U m sin 2sin t UC = U m cos2sin t12= x 2 （ x 2是指令位移值）Uo = Uos+

10、U os=KUScos1K Ucsin 1= K U m sin 2 cos 1sin t K Um cos2sin tsin = K Um sin （21）sin t 结论： 只要能测出 Uo与UC相位差 1 ,就可求得滑尺与定尺相对位移量 x ；5. 几点说明 感应同步器的测量周期为其绕组的节距 2 （2mm）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度；现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量,使其能便利 地采纳现代的数 字处理技术 6. 感应同步器的特点及使用留意事项 特点 精度高：平均自补偿特性；对环境的适应才能强：抗湿、温度、热变形影响的才能强；保护简洁、寿命长：非接

11、触测量,无磨损,精度保持性好；测量距离长：通过接长可满意大行程测量的要求；串联方式 n 10串并联方式 n 10 使用留意事项 在安装方面：1. 保证安装精度 （安装面的精度、 定尺与滑尺的相对位 2. 置精度、 接缝的调 整精度）3. 加装防护装置（防止切屑、油污、灰尘的影响）在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性；0 90对鉴相系统：激磁电压的幅值、频率相等；相位差对鉴幅系统：对Um sin 2、Um cos2调制的精确性当失真度大于 2%时,将严峻影响测量精度；三、脉冲编码器脉冲编码器又称码盘,是一种回转式数字测量元件,通常装在被检测轴上,随被测轴一起转动, 可将被测轴的角位移转

12、换为增量脉冲形式或肯定式的代码形 式；依据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式 3 种；其中,光电码盘在数控机床上应用较多, 而由霍尔效应构成的电磁码盘就可用作速度检 测元件；另外,它仍可分为肯定式和增量式两种名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案1. 增量脉冲编码器结构及工作原理光电码盘随被测轴一起转动,在光源的照耀下,透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号, 光敏元件把此光信号转换成电信号,通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出；输出的波形有六路：其中,是的取反信号名师归纳总结

13、- - - - - - -第 8 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用 依据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；依据脉冲的频率可得被测轴的转速；依据 A、B两相的相位超前滞后关系可判定被测轴旋转方向；后续电路可利用 A、B两相的 90 相位差进行细分处理（四倍频电路实现）；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案Z相的作用1被测轴的周向定位基准信号；2被测轴的旋转圈数记数信号；的作用3后续电路可利用 A、两相实现差分输入

14、, 以排除远距离传输的共模干扰；增量式码盘的规格及辨论率 规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；都有；现在市场上供应的规格从36线/ 转 到10万线 / 转挑选：伺服系统要求的辨论率；考虑机械传动系统的参数；辨论率（辨论角） 设增量式码盘的规格为 n 线/ 转：2. 肯定式编码器结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道,且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案检测信号按某种规律编码输出,故可测得被测轴的周向肯定位置；

15、3. 光电编码器的特点 非接触测量,无接触磨损,码盘寿命长,精度保证性好；答应测量转速高,精度较高；光电转换,抗干扰才能强；体积小,便于安装,适合于机床运行环境；结构复杂,价格高,光源寿命短；码盘基片为玻璃,抗冲击和抗震惊才能差；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案第三节 进给伺服驱动系统 一、概述 1. 进给伺服驱动系统 由进给伺服系统中的 驱动电机及其掌握和驱动装置；2. 驱动电机 是进给系统的动力部件, 它供应执行部分运动所需的动力,在数控机 床上常用的电机有：步进电机 直流伺服电机 沟通伺

16、服电机 直线电机；3. 速度单元是上述驱动电机及其掌握和驱动装置,通常驱动电机与速度掌握单元是相互配套供应的, 其性能参数都是进行了相互匹配,这样才能获得高性能的系 统指标；4. 速度掌握单元主要作用 ：接受来自位置掌握单元的速度指令信号,对其进行适 当的调剂运算 目的是稳速 ,将其变换成电机转速的掌握量 频率,电压等 ,再 经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量,使驱动电机按要求运行；简言之：调剂、变换、功放 ；5. 进给驱动系统的特点（ 与主运动（主轴）系统比较）：功率相对较小；掌握精度要求高；掌握性能要求高,特殊是动态性能 二、步进电机及其驱动装置 步进电机流行于 70岁月,该系统结构简

17、洁、掌握简洁、修理方面,且掌握为 全数字化； 随着运算机技术的进展, 除功率驱动电路之外, 其它部分均可由软件 实现,从而进一步简化结构；因此,这类系统目前仍有相当的市场；目前步进电 机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合,如经济型数控；打印机、绘图机等 运算机的外部设备；三、直流伺服电机及驱动 直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的,电磁力的大小 正比于电机中的气隙磁场,直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁 场,按对励磁绕组的励磁方式不同,直流电机可分为：他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式； 20 世纪 8090岁月中期,永磁式直流伺服电机在 NC机床中广泛采用；直流伺服电机

18、的特点：过载倍数大,时间长；具有大的转矩 / 惯量比,电机的加速大,响应快；低速转矩大,惯量大,可与丝杆直接相联,省去了齿轮等传动机构；可提 高了机床的加工精度；调速范畴大,与高性能的速度掌握单元组成速度掌握系统时,调速范畴超 过 12000；带有高精度的检测元件 包括速度和转子位置检测元件 ；电机答应温度可达 150 180,由于转子温度高, 它可通过轴传到机械 上去,这会影响机床的精度 由于转子惯性较大,因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案应增加；

19、电刷、保护不便 四、沟通伺服电机及驱动 由于直流伺服电机具有优良的调速性能, 80 岁月初至 90岁月中,在要求 调速性能较高的场合, 直流伺服电机调速系统的应用始终占据主导位置；但其却 存在一些固有的缺点,即：电刷和换向器易磨损,保护麻烦 结构复杂,制造困难,成本高 而沟通伺服电机就没有上述缺点；特殊是在同样体积下,沟通伺服电机的输出功率比直流电机提高10%70%,且可达到的转速比直流电机高；因此,人们始终在寻求沟通电机调速方案来取代直流电机调速的方案；1. 分类2. 沟通伺服电机的速度掌握单元名师归纳总结 沟通伺服电机转速n 调速的理论基础第 13 页,共 34 页- - - - - -

20、-精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案结论 ：沟通伺服电机变频调速的关键是要获得可 调频调压的沟通电源调频调压电源的分类电压型变频器方案示意图电压型变频器工作原理名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编精品教案（如 SPWM结论：变频器实现变频调压的关键是逆变器掌握端获得要求的掌握波形 波）；掌握波形的实现方式（电机调速的掌握方式）：相位掌握；矢量变换掌握；PWM 掌握；磁场掌握；名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 34 页精选学习资料 - - - - -

21、- - - - 名师精编第四节一、精品教案典型进给伺服系统 位置掌握 开环进给伺服系统 Open-Loop System不带位置测量反馈装置的系统；驱动电机只能用步进电机；主要用于经济型数控或一般机床的数控化改造1. 步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计要解决的主要问题：动力运算、传动运算、驱动电路设计或挑选目的： 传动运算挑选合适的参数以满意脉冲当量 图中： f 脉冲频率（ HZ ） 步距角（度）Z1、Z2 传动齿轮齿数 t 螺距 mm 传动比挑选： 脉冲当量（ mm）和进给速度 F的要求；为了凑脉冲当量 mm,也为了增大传递的扭矩,在步进电机与丝杆之间,要增加一对齿轮传动副,那么,传动

22、比 i=Z 1/Z 2与 、t 之间有如下关系：例： = 0.01 t = 6 mm = 0.75 进给速度 F：一般步进电机：如： =0.01 mm 就：如： =0.001mm 就：因此,当 肯定时,与 成正比,故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时, 都应指明是在多大的脉冲当量 下的,否就是没有意义的；2. 提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施概述影响步进电机开环系统传动精度的因素：步进电机的步距角精度；名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动

23、间隙；传动件和支承件的变形；提高步进电机开环系统传动精度的措施 适当提高系统组成环节的精度；实行各种精度补偿措施；传动间隙补偿 在整个行程范畴内测量传动机构传动间隙,取其平均值存放在数控系统 中的间隙补偿单元,当进给系统反向运动时,数控系统自动将补偿值加到进给 指令中,从而达到补偿目的；螺矩误差补偿 滚珠丝杆在数控机床应用广泛,虽然滚珠丝杆精度较高,但是总不行做 的肯定精确,总是将其精度掌握在肯定的范畴内的,也就是它的螺距总是存在 着肯定的误差的,利用运算机的运算处理才能,可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积 误差,以提高进给位移精度；方法：第一测量出进给丝框螺距误差曲线方法实现误差补偿： 硬件补偿、软

24、件补偿 ；二、闭环、半闭环进给伺服系统 1. 闭环进给伺服系统的实现方案分类和特点按系统的掌握信号类型分：模拟型系统、数字型系统、模拟型系统：特点： 规律 ,然后可采纳以下两种这类系统全部采纳模拟元件构成；其输入（掌握）信号、输出的位置、速度 信号也是模拟量；速度和位置检测元也是模拟式的；特点 ：抗干扰才能强,一般不会因峰值误差导致致命的误动作；可用常规仪器外表（示波器,万用表等）直接读取信息,易于随时把握系 统工作的基本情形；对弱信号信噪分别困难,掌握精度的提高受到限制；在零点邻近简洁受到温度漂移的影响,使位置掌握产生漂移误差；位置、速度调剂器的结构和参数调整困难,适应负载变化的才能较差；模

25、拟系统这种本质缺陷,使它很难满意高精度位置伺服掌握的要求,目前 已逐步被数字伺服系统所取代；数字型系统：特点 ：这类系统是指至少其位置环掌握与调剂采纳数字掌握技术,号都不再是模拟信号 平脉冲信号）的系统；特点：即位置指令和反馈信 改用数字信号（规律电可以通过增加数字信息的字长,来满意要求的掌握精度；对规律电以下的漂移、噪声不予晌应,零点定位精度可以得到充分保证；简洁对其结构和参数进行修改（依据掌握要求）据交换；,且易于与运算机进行数噪声峰值大于规律电平常,对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - -

26、 - - - 名师精编 精品教案相同的,这种错误可能导致系统致命的危害；传送数据的数字电路要求具有很宽的频带；以保证脉冲上、下降沿有足 够的陡峭度；抑制干扰、防止数据出错,是数字伺服系统设计胜利的关键 2. 数字伺服系统的类型全硬件伺服系统 全硬件伺服系统又称脉冲比较伺服系统,其典型的组成方式如下列图构成：该系统中, 位置闭环的掌握与调剂运算主要由偏差计数器 数器）和 D/A 完成；（一般为可逆计柔性差：系统全由硬件构成, 使得它的各调剂器参数在机电联调整定后就固定下 来了,不易转变,这对负载惯量变化不大的位置伺服系统 （如车床刀架进给掌握） ,可获得中意的掌握性能指； 而对某些负载惯量较大的

27、系统, 就很难在整个范畴内（负载惯量变化）都获得中意的掌握成效；零漂将影响精度： 这类系统依靠 D/A,将位置调剂输出的数字量转化成模拟电压 作速度指令信号；供应应速度伺服单元,因此,其零点漂移将影响定位精度 半软件型伺服系统这种系统的位置掌握采纳软硬件组成,所示：速度掌握仍采纳模拟方式, 系统组成如图位置掌握的软件现可以由 NC装置的 CPU实现,也可以由位置掌握板上自带的 CPU实现；位置掌握的调剂运算部分由软件实现,增加了敏捷性：名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案调剂器的参数可以通过进行修

28、改、设定 调剂算法可以采纳较复杂的算法,以提高掌握性能（变结构、变增益）可增加很多帮助功能（故障诊断、脉冲当量变换等）零点漂移可通过软件进行补偿 由于这种系统的速度单元仍是模拟型的,全硬件型系统中存在的问题并未明显解决,如它的内环参数（速度、电流）和位置环中D/A 转换器的位数依旧是固定的；因此难以兼顾负载惯量大的变化； 不过,由于利用软件采纳一些补偿措施,这就使得半软件位置伺服系统的位置掌握精度和掌握性能要高于全硬件型的位 置伺服系统；全软件位置伺服系统 这种系统是指除电流环仍为模拟结构外,位置、速度掌握均由微机通过控 制软件来实现,系统组成如下列图：图中的微机位置、速度掌握既可以是单微机,

29、又可以是双微机（一个是位置 掌握,另一个是速度掌握） ；不过系统中的微机常由单片机来构成；由于微机的应用,使系统的掌握更加敏捷,其特点是：位置、速度调剂器的结构和参数可以按工作环境自动进行切换,使之适应 负载变化的才能显著增强, 应用优化理论仍可使调剂器的参数自动化,使系统可 驱动不同的执行机械,通用化程度大大提高；其余同半软件型系统；这这种系统的输出通过D/A 转换成模拟电压作为电流指令送往模拟电流环,样,模拟量的零点漂移只会使电流指令产生微小的变化,一般这种变化不足以产生驱动伺服电机运动的力矩,也不会对位置掌握精度产生不良影响；由于电流环的结构和参数仍是固定的,所以仍不能通过微机转变掌握策

30、略,以获得较抱负的掌握成效；由于该系统工作牢靠,结构紧凑,掌握性能也优于前述两种系统,使得它在 80 岁月中期以来的交、直流位置伺服系统的产品中逐步占据了主导位置,成为 位置伺服系统的首选方案全数字位置伺服系统 自以软件位置伺服系统产生以来,人们就始终致力于用软件尽可能多地 去取代硬件的工作, 以降低成本, 提高性能； 随着可直接用规律电平掌握通断的电子半导体器件功率晶体管,功率场率应管的商品化, 以及高性能单片机的显现,使得全数字位置伺服系统的实现成为现实 一种全数字、采纳脉宽调制（PWM pulse width modulation ）掌握的位置伺服系统如下图所示；名师归纳总结 - - -

31、 - - - -第 19 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案系统的全部掌握调剂全部由软件完成,最终直接输出规律电平的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器,对伺服电机进行掌握,完成位置掌握任务；调剂器的全部软件化使掌握理论中的很多掌握思想和手段,包括经典的、 现代的、智能的等新型的掌握方法都可以衩便利地引进来,例如：鲁棒掌握、自适 应掌握、变参数掌握、变结构掌握、神经网络掌握、模糊掌握、专家系统掌握等等；仍可以完成参数的自动优化和故障的自动诊断等,得到提高 3. 典型闭环伺服系统示例 以半软件型位置伺服系统为例这里仅介绍位置掌握单元,速度掌握前面

32、已介绍了 位置掌握软件部分的任务：使系统掌握性能能进一步指令位置运算（含反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）实际位置运算（反馈累积）跟随误差运算 调剂运算 零点漂移补偿名师归纳总结 指令位置运算（反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）：第 20 页,共 34 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案实际位置运算（反馈累积）跟随误差运算 调剂运算 零点漂移补偿 硬件部分的任务名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 名师精编精品教案第 22 页,共 34 页-

33、 - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案第五节 伺服系统性能分析前面各节我们重点争论了进给伺服系统的组成原理与实现方法,然而该系统要能真正实现预期的快速、 精确及平稳驱动的要求, 一个重要的问题是如何依据要求,进行闭环系统的参数设计和调试；例如,开环增益,阻尼系数等参数对伺服系统的稳态精度与动态性能影响很大,这将是本节争论的重点开环传递函数：反馈与偏差之比闭环传递函数：输入与输出之比干扰的闭环传递函数：输出与噪声之比系统误差的函数：偏差与输入之比二、进给伺服系统的数字模型及传递函数闭环进给伺服系统的一般结构：名师归纳总结 - - - - -

34、- -第 23 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 名师精编精品教案位置掌握单元的数学模型位置掌握单元是以 XC为输入以 UP为输出的一个掌握环节, 位置调剂器一般采纳比例调剂,放大系数为 KN,就有：取拉氏变换得：结构框图：2. 速度掌握单元的数学模型速度掌握单元是以指令电压 UP 为输入,电机的驱动电压 U为输出的掌握环 节,速度调剂器通常采纳 PI调剂,驱动放大是比例环节, 如忽视非线性和滞后特性的影响,可视它们为比例环节,就传递函数为为KV ,就有：取拉氏变换得：结构框图：3. 直流伺服电机的数学模型KA ,速度反馈环节的传递函数名师归纳总结 - -

35、 - - - - -第 24 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案直流伺服电机是以驱动电压 U为输入,电机的角位移 m为输出的变换环节,其数字模型是依据电机电枢电势平和电机转矩衡方程导出的（参见参考书 P127 P128 ）：式中： T m=RaJ a/ K eKT 电机的机械时间常数 K m=1 / Ke 电机的增益系数KR=Ra / K T 拉氏变换得：结构框图：由此可知：电机输出的角位移由两部分组成,一是无负载时由掌握 US的激励而产生的输出,另一部分是由负载的扰动产生的输出；而且经适当的简化后,直流伺服电机可视为一个惯性环节和一个积分环节

36、串联而成；4. 机械传动与执行单元的数学模型m,输出为工作台的线位移机械传动与执行单元的输入为电机的角位移X0,其机械系统力平稳方程为：拉氏变换：结构框图：名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案由此可知,机械系统可视为一个二阶振动环节；5. 整个进给伺服系统的数学模型由图可知： X0 是对 XC 和 FD 两个鼓励的响应,依据叠加原理,可先分别求 出每个鼓励单独作用的响应,然后进行叠加；当FD=0时,仅有 XC 鼓励的传递系数当XC , FD同时鼓励时系统的响应三、进给伺服系统的性能分析 1. 系统

37、增益 KS 开环增益,速度增益 KS 是进给伺服系统的重要性能参数,为了说明其物理意义, 可对上述系统进行一些简化：假设上述各环节均是抱负的,即各环节均是无名师归纳总结 惯量,无阻尼,刚度为无穷大,且无速度环,就：v 第 26 页,共 34 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案进给伺服系统的输入通常是斜坡鼓励：KS对系统动态性能的影响争论：KS 与输出速度 的关系当KS 时,到达 F 所需的时间越短,系统的响应加快,灵敏度增高；名师归纳总结 KS 与系统的加速度的关系第 27 页,共 34 页- - - - - - -精选学习资料 -

38、 - - - - - - - - 当KS 名师精编精品教案时,系统的加速度增大,特殊是在刚启动时,它使系统的响应加快, 但对系统的冲击也大, 特殊对惯性较大的系统, 将产生很大的冲击 力,另外,加速度太大也可能系统超调,引起系统失稳； KS 与跟随误差 D 的关系；KS D即：有利于提高系统的跟随精度；结论： KS的挑选,要综合考虑,折衷选取,才能获得优良的综合性能；KS的初选方法 在工程调试中, KS 可按以下方式初选： Mm、ML：分别是电机的输出转矩和负载转矩； GDm 2、GD 2：分别是电机转子和负载等效飞轮惯量 数控系统中 KS的设定方法由前面的推导可知： K N ：位置环增益；K

39、A ：速度环增益 Km ：电机增益 L / 2 ：机械系统增益 其中： KA 、 K m 、 L / 2 在数控系统、伺服系统和机械系统选 定后便确定了, 而 KN 是作为可调参数, 答应用户依据详细情形选定,以满意系统的稳固性和快速度性的要求；名师归纳总结 2. 定位精度Fc =0）；只第 28 页,共 34 页定位精度的检查通常是在空载的情形进行的,即无负载力（有摩擦力,而且系统接受的是阶跃位置指令,即：- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案闭环系统的定位误差为：半闭环系统的定位误差争论由 可知,为减小定位误差可采纳以下措施：1. 减

40、小传动间的摩擦力Fcr,如采纳滚动传动取代滑动；2. 增大KN、KA ,其实质增大 KS 在系统稳固的范畴内 ；3. 减小KR （=Ra / KT）,即挑选 KT 存在的伺服电机；4. 在半闭环系统中, 要尽可能增大传动机构的刚度 K,这是由于当 K较小时, 将产生较大的弹性变形,从而加大定位误差；四、进给伺服系统参数的匹配进给伺服系统是由电气、机械等环节组成的一个整体,其组成环节的特性参数对整体系统的特性的影响； 从理论上讲, 可以依据要求与系统的数学模型确名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案定

41、其参数,但是由于进给伺服系统工作条件复杂多变,特殊是机械系统的阻尼、刚度、惯量等参数,尚无完善的运算方法；因此在进行设计和调试时,除必要的 理论运算外, 仍必辅之以试验分析和类比法, 利用已有的系统的参数和体会数据 进行新的设计, 这是目前常用的方法； 下面定性分析和介绍几个重要参数对系统 性能影响及其确定方法；1. 阻尼 阻尼主要与伺服驱动装置的电感、电阻、电机机械部件、机械传动机构 的摩擦阻尼和粘性阻尼有关,它对系统的影响是：阻尼大就 系统的伺服刚度高,抗干扰才能强,稳固性高；系统的定位精度低,定位的离散程度大；由此可知,这两方面的冲突的, 应在精度与伺服刚度之间折衷考虑；例如,采纳滚动、 静压导轨就是削减机械系统的阻尼；它可有效提高定位精度, 但系统 的稳固性裕度将减小, 因此,现在有些进给系统设置了可调阻尼器,或者采纳软 件的方法来转变系统的