运动控制——伺服系统.pptVIP

第五章 伺服系统 5.1 概述 5.2 伺服系统的执行元件及控制 5.3 伺服系统设计 5.1 概述 一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求 伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。 从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气动伺服系统等； 从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等； 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统； 从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。 例：数控机床伺服系统， 由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。 对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。 5.2 伺服系统的执行元件及控制 一、执行元件类型及特点 二、伺服电机及其控制 三、步进电机及其控制 1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。 在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。 1 直流伺服电动机 (1) 调速方式 直流伺服电机的机械特性方程为： 式中， 一电枢控制电压； 一电枢回路电 阻； —每极磁通； 、 —分别为电动机的结构常数。 由上式知，直流伺服电机的控制方式如下： (2) 直流电机的功率驱动 直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应用最为广泛。 作用在电机两端的平均电压为： (3) 直流伺服系统模型 设输入信号为Ud ,输出为电机转角 则其传递函数： 2. 交流伺服电动机 (1) 原理: 励磁绕组WF接到电压为的交流电网上，控制绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度为 式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数； n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率 。 (2) 控制: 1、工作原理： 当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。 若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。 2. 性能参数 (1)步距角 步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，可按下面公式计算 式中 为步距角； 为转子上的齿数； 为步进电动机运行的拍数。 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也