伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(dòng)元件控制驅(qū)動(dòng)元件,使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件 按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)開(kāi)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(guò)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(guò)程是偏差不斷產(chǎn)生又不斷 消除的過(guò)程。消除的過(guò)程。 舉例：舉例： 步進(jìn)電機(jī)滾珠絲杠伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)位置控制伺服

2、系統(tǒng)）。步進(jìn)電機(jī)滾珠絲杠伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)位置控制伺服系統(tǒng)）。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)開(kāi)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(dòng)元件性質(zhì)分按驅(qū)動(dòng)元件性質(zhì)分: 有有電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)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(shí)穩(wěn)定的系統(tǒng)在受到外界干擾時(shí),

3、 其輸出響應(yīng)的過(guò)度過(guò)程隨時(shí)間的增加而其輸出響應(yīng)的過(guò)度過(guò)程隨時(shí)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(guò)度過(guò)程隨時(shí)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(guò)度過(guò)程隨時(shí)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(hào)的性質(zhì)或形式無(wú)關(guān)。增益等），與外界作用信號(hào)的性質(zhì)或形式無(wú)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(hào)的變化程度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束的迅輸出跟隨輸入信號(hào)的變化程度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束的迅 速程度。速程度。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)：步進(jìn)電機(jī) 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 交流交流伺服電機(jī)伺服電機(jī)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(jī)。液壓馬達(dá)等，控制性能不如伺服電機(jī)。 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(duì)

5、執(zhí)行器件的要求：二、對(duì)執(zhí)行器件的要求： 慣性小，動(dòng)力大；體積小，質(zhì)量輕；好控制，成本低；可靠慣性小，動(dòng)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(dòng)機(jī)及控制直流伺服電動(dòng)機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(gè)齒，三對(duì)磁極，轉(zhuǎn)子上分布有個(gè)齒，三對(duì)磁極，轉(zhuǎn)子上分布有4個(gè)齒。個(gè)齒。 定子上三相繞組（三對(duì)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(duì)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(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，圖為每通斷電一次，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，圖為30。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、通電方式及步距角計(jì)算二、通電方式及步距角計(jì)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(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。改變各相繞組的通斷電

7、順序可實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。 一般對(duì)于一般對(duì)于m相步進(jìn)電機(jī)有：相步進(jìn)電機(jī)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(shí)際較實(shí)際較 少采用。少采用。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （二）步距角計(jì)算（二）步距角計(jì)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(jī)的相數(shù)；步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)； c 通電方式系數(shù)，單拍或雙拍通電時(shí)取通電方式系數(shù)，單拍或雙拍通電時(shí)取1，單雙

8、輪流通電時(shí)取，單雙輪流通電時(shí)取2。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)及特性三、步進(jìn)電機(jī)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(jī)運(yùn)行頻率為零（轉(zhuǎn)速為零）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為零（轉(zhuǎn)速為零）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)繞組每秒鐘通斷電次數(shù)。步進(jìn)電機(jī)繞組每秒鐘通斷電次數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般取最大靜轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)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(shí)實(shí)測(cè)步距角與理論步距角之差空載時(shí)實(shí)測(cè)步距角與理論步距角之差. 反應(yīng)了步進(jìn)

9、電機(jī)的制造精度。反應(yīng)了步進(jìn)電機(jī)的制造精度。 步進(jìn)電機(jī)步距角精度較低的一般為步進(jìn)電機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3、步進(jìn)電機(jī)矩角特性、步進(jìn)電機(jī)矩角特性靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。靜態(tài)時(shí)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(shí)定子與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊，此時(shí)定子與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊， 當(dāng)轉(zhuǎn)子加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)子加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，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(jiàn)下關(guān)系見(jiàn)下 圖：圖： 機(jī)電一體化系

10、統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 4、啟動(dòng)矩頻特性、啟動(dòng)矩頻特性 啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。 啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率電機(jī)在有外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，不失步啟動(dòng)的最高脈沖頻率。電機(jī)在有外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，不失步啟動(dòng)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(dòng)矩頻特性曲線見(jiàn)下圖。啟動(dòng)矩頻特性曲線見(jiàn)下圖。 由圖可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大所允許的最大啟動(dòng)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(dòng)頻率就越小。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5、啟動(dòng)慣頻特性、啟動(dòng)慣頻特性 啟動(dòng)慣頻特性啟動(dòng)慣頻特性 啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（純慣性負(fù)載）

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

12、的過(guò)渡過(guò)程時(shí)當(dāng)輸入脈沖頻率很低時(shí)，脈沖周期大于電機(jī)的過(guò)渡過(guò)程時(shí) 間，電機(jī)處于一步一停的狀態(tài)。間，電機(jī)處于一步一停的狀態(tài)。 低頻振蕩低頻振蕩步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的頻率（較低時(shí)）與電機(jī)的固有頻率相等或步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的頻率（較低時(shí)）與電機(jī)的固有頻率相等或 接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，使電機(jī)產(chǎn)生振蕩不前的現(xiàn)象。接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，使電機(jī)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(kāi)固有頻率運(yùn)行；（）避開(kāi)固有頻率運(yùn)行；（2）調(diào)節(jié)電機(jī)上阻尼器）調(diào)節(jié)電機(jī)上阻尼器 改變固有頻率。改變固有頻率。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 四、四、步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng) 要使步進(jìn)電機(jī)正確

13、運(yùn)轉(zhuǎn)，必須按一定順序?qū)Χㄗ痈飨嗬@組勵(lì)磁，以要使步進(jìn)電機(jī)正確運(yùn)轉(zhuǎn)，必須按一定順序?qū)Χㄗ痈飨嗬@組勵(lì)磁，以 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即按一定規(guī)律將控制脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)各繞組。步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即按一定規(guī)律將控制脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)各繞組。步進(jìn)電機(jī) 每接收一個(gè)脈沖將相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。每接收一個(gè)脈沖將相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。 按一定規(guī)律將指令脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （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(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配。用計(jì)算機(jī)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(jī)床某方向進(jìn)給系統(tǒng)脈沖當(dāng)量已知數(shù)控機(jī)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(gè)脈沖（一個(gè)步距角）前進(jìn)的距離。量：一個(gè)脈沖（一個(gè)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(dòng)比），計(jì)算機(jī)晶振頻率為傳動(dòng)比），計(jì)算機(jī)晶振頻率為6M，選用四相，選用四相 電機(jī)，四相八拍工作方式，要求工作臺(tái)以電機(jī)，四相八拍工作方式，要求工作臺(tái)以V=1000mm/min的速度前進(jìn)的速度前進(jìn)2mm ， 設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件及軟件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

15、動(dòng)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(jì)接口）設(shè)計(jì) 當(dāng)當(dāng)P1.0P1.0置低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的置低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的A A向?yàn)楦唠娖?，步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)繞組帶電。向?yàn)楦唠娖剑竭M(jìn)電機(jī)相應(yīng)繞組帶電。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 2、四相八拍脈沖分配表、四相八拍脈沖分配表 每個(gè)控制數(shù)據(jù)高每個(gè)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(hào)送控制數(shù)據(jù)為正轉(zhuǎn)；的序號(hào)送控制數(shù)據(jù)為正轉(zhuǎn)； 按按8 8到到1 1的序號(hào)送控制數(shù)據(jù)為反轉(zhuǎn)。的序號(hào)送控制數(shù)據(jù)為反轉(zhuǎn)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺

16、服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 3、脈沖分配軟件、脈沖分配軟件 任務(wù)：按一定順序及時(shí)間間隔將控制脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)各繞組，以任務(wù)：按一定順序及時(shí)間間隔將控制脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)各繞組，以 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 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(shí)子程序，延時(shí)調(diào)用延時(shí)子程序，延時(shí)0.6ms。0.6200=120ms200=120ms mov P1,#0FCH LCALL YS ;調(diào)用延時(shí)子程序調(diào)用延時(shí)子程序 . . DJNZ R1, LP 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 脈沖分配控制程序：脈沖分配控制程

17、序： （1）按序號(hào)查表求控制數(shù)據(jù)，結(jié)果存放在）按序號(hào)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(hào)，中存節(jié)拍序號(hào)，01H08H 55H中存控制數(shù)據(jù)（程序運(yùn)行結(jié)果）中存控制數(shù)據(jù)（程序運(yùn)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(hào)中存節(jié)拍序號(hào) 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(hào)加

18、節(jié)拍序號(hào)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(hào)序號(hào)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(hào)若序號(hào)=0 則則 序號(hào)單元置序號(hào)單元置8, 即即52H=8 PPD3: MOV A, R1 ; 序號(hào)送累加器序號(hào)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(hào)查表得控制數(shù)據(jù)根據(jù)序號(hào)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （2 2）以一定的時(shí)間間隔將）以一定的時(shí)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(shí)中斷計(jì)數(shù)器發(fā)出中斷信號(hào)利用定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器發(fā)出中斷信號(hào), , 準(zhǔn)時(shí)地、等間隔地將準(zhǔn)時(shí)地、等間隔地將55H55H中數(shù)中數(shù) 據(jù)送據(jù)送P1P1口?？?。 1)1)、計(jì)算定時(shí)中斷時(shí)間

20、常數(shù)、計(jì)算定時(shí)中斷時(shí)間常數(shù)( (采用采用T0T0定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器) ) 如果采用定時(shí)模式如果采用定時(shí)模式1 1，即通過(guò)，即通過(guò)1616位計(jì)數(shù)器位計(jì)數(shù)器TH0TH0（高（高8 8位）位）TL0TL0（低（低8 8位）計(jì)位）計(jì) 數(shù)，計(jì)數(shù)滿產(chǎn)生中斷。數(shù)，計(jì)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(jì)一個(gè)數(shù)）。次計(jì)一個(gè)數(shù)）。 開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)TH0TL0TH0TL0已存有的數(shù)已存有的數(shù)( (時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)) )大小。大小。 時(shí)間常數(shù)大則計(jì)滿數(shù)快，數(shù)小則慢。時(shí)間常數(shù)大則計(jì)滿數(shù)快，數(shù)小則慢。 時(shí)間常數(shù)：時(shí)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(tái)移動(dòng)速度。為工作臺(tái)移動(dòng)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(jì)算進(jìn)給步數(shù)）、計(jì)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hào)節(jié)拍序號(hào)1 1送內(nèi)存送內(nèi)存52H52H。 MOV TL0MOV TL0，#0D4H #0D4H ； 送時(shí)間常數(shù)低送時(shí)間常數(shù)低4 4位到定時(shí)計(jì)數(shù)器。位到定時(shí)計(jì)數(shù)器。 MOV TH0MOV TH0，#0FEH #0FEH ； 送時(shí)間常數(shù)高送時(shí)間常數(shù)高4 4位到定時(shí)計(jì)數(shù)器。位到定時(shí)計(jì)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(dòng)定時(shí)器啟動(dòng)定時(shí)器T0T0。 SETB ET0 SETB ET0 ； T0T0開(kāi)放中斷。開(kāi)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(shí)向電機(jī)輸出進(jìn)給脈沖）中斷程序（定時(shí)向電機(jī)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(shí)間常數(shù)，為什么要重裝？時(shí)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （3） 如何調(diào)速？如何調(diào)速？ 改變時(shí)間常數(shù)即可改變電機(jī)進(jìn)運(yùn)行速度。改變時(shí)間常數(shù)即可改變電機(jī)進(jìn)運(yùn)行速度。 時(shí)間常數(shù)增大時(shí)間常

26、數(shù)增大計(jì)數(shù)器溢出所用的時(shí)間短計(jì)數(shù)器溢出所用的時(shí)間短每次中斷每次中斷 所用的時(shí)間就少所用的時(shí)間就少電機(jī)運(yùn)行頻率加快電機(jī)運(yùn)行頻率加快電機(jī)運(yùn)行速度變快。電機(jī)運(yùn)行速度變快。 反之，時(shí)間常數(shù)減小反之，時(shí)間常數(shù)減小電機(jī)運(yùn)行速度減慢。電機(jī)運(yùn)行速度減慢。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （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(shí)現(xiàn)脈沖分配。實(shí)現(xiàn)脈沖分配。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 國(guó)內(nèi)外有多種芯片型號(hào)，現(xiàn)國(guó)內(nèi)外有多種芯片型號(hào)，現(xiàn) 以國(guó)產(chǎn)芯片以國(guó)產(chǎn)芯片Y

27、B013YB013為例說(shuō)明硬件為例說(shuō)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(jiàn)表：見(jiàn)表5-35-3 E1 E2 E1 E2：輸入選通：輸入選通 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)正轉(zhuǎn)，置低電平（）電機(jī)正轉(zhuǎn)，置低電平（CLR P1.0）電機(jī)反轉(zhuǎn)。）電機(jī)反轉(zhuǎn)。 P1.1輸出的脈沖數(shù)量（高低各置一次）決定電機(jī)

28、旋轉(zhuǎn)角度。輸出的脈沖數(shù)量（高低各置一次）決定電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （三（三）驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 由于光電隔離輸出的控制信號(hào)其功率有限，一般不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電由于光電隔離輸出的控制信號(hào)其功率有限，一般不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電 機(jī)，需要功率放大，即驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路種類很多，下圖示出了一種驅(qū)動(dòng)機(jī)，需要功率放大，即驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路種類很多，下圖示出了一種驅(qū)動(dòng) 電路。電路。 圖中，來(lái)自脈沖分配器的工作脈沖，圖中，來(lái)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(shí)

29、刻使電機(jī)繞組電流迅速上升；時(shí)刻使電機(jī)繞組電流迅速上升；T 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 時(shí)電阻時(shí)電阻R 起限流作用，起限流作用，T截止時(shí)二極管截止時(shí)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(jī)。型步進(jìn)電機(jī)。 市場(chǎng)上有商品驅(qū)動(dòng)模塊供應(yīng)，可根市場(chǎng)上有商品驅(qū)動(dòng)模塊供應(yīng)，可根 據(jù)用途選購(gòu)。據(jù)用途選購(gòu)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5. 3開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 什么是開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)？什么是開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)？ 無(wú)檢測(cè)反饋元件的伺服系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)反饋元件的伺服系統(tǒng)稱開(kāi)環(huán)控制的伺

30、服系統(tǒng)。稱開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，但精度低不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，但精度低。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一一. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 一般來(lái)說(shuō)，各種開(kāi)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(lái)說(shuō)，各種開(kāi)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(jiàn)圖見(jiàn)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(jī)步進(jìn)電機(jī)，也可以是，也可以是交流電機(jī)或直流伺服電機(jī)交流電機(jī)或直流伺服電機(jī)，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(dòng)機(jī)構(gòu)方案選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)接口。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)接口。 圖圖5-32的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為減速器和絲杠螺母副。絲杠螺母副用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為減速器和絲杠螺母副。絲杠螺母副用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，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(jī)構(gòu)方案選擇根據(jù)實(shí)際需要及要求選擇。執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案選擇根據(jù)實(shí)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(jī)（工控機(jī)控制系

32、統(tǒng)包括微機(jī)（工控機(jī) PLC 單片機(jī)）單片機(jī)） 接口電路及驅(qū)動(dòng)電路等，接口電路及驅(qū)動(dòng)電路等， 這些在前面已作介紹。這些在前面已作介紹。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二二. 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 以圖以圖5-32所示的開(kāi)環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)原理圖為例，說(shuō)明設(shè)計(jì)所示的開(kāi)環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)原理圖為例，說(shuō)明設(shè)計(jì) 計(jì)算方法。計(jì)算方法。 （一）確定脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電機(jī)步距角（一）確定脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動(dòng)精度及價(jià)格的前提下選定電機(jī)，

33、步距角隨電機(jī)的選定而運(yùn)動(dòng)精度及價(jià)格的前提下選定電機(jī)，步距角隨電機(jī)的選定而 確定，一般為零點(diǎn)幾度到十幾度。確定，一般為零點(diǎn)幾度到十幾度。 （二）計(jì)算減速器傳動(dòng)比（二）計(jì)算減速器傳動(dòng)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(dòng)比傳動(dòng)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(dòng)比較大時(shí)（一級(jí)傳動(dòng)不可能實(shí)現(xiàn)時(shí)），如何確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)？當(dāng)傳動(dòng)比較大時(shí)（一級(jí)傳動(dòng)不可能實(shí)現(xiàn)時(shí)），如何確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)？ 如何分配傳動(dòng)比？如何分配傳動(dòng)比？ 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 按圖按圖5-33確定傳

34、動(dòng)級(jí)數(shù)確定傳動(dòng)級(jí)數(shù) 原則：原則：JGJP盡量小，盡量小， 級(jí)數(shù)也應(yīng)盡量小。級(jí)數(shù)也應(yīng)盡量小。 舉例：舉例： 當(dāng)當(dāng)i =2時(shí)，選時(shí)，選1 級(jí)傳動(dòng)；級(jí)傳動(dòng)； 當(dāng)當(dāng)i = 3時(shí)，選時(shí)，選2 級(jí)傳動(dòng)；級(jí)傳動(dòng)； 當(dāng)當(dāng)i =4時(shí)，選時(shí)，選2 級(jí)傳動(dòng)；級(jí)傳動(dòng)； 當(dāng)當(dāng)i =15時(shí)，選時(shí)，選3 級(jí)傳動(dòng)。級(jí)傳動(dòng)。 2. 按圖按圖5-34分配傳動(dòng)比分配傳動(dòng)比 舉例：舉例： （1） i =4，2級(jí)傳動(dòng)時(shí)，級(jí)傳動(dòng)時(shí)，i1=1. 8 i2=2. 2 （2）i =15，3級(jí)傳動(dòng)時(shí)，級(jí)傳動(dòng)時(shí)，i1=1. 7 i2=2. 3 i3=3. 8 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （三）計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（三）計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

35、步進(jìn)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直接影響電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，所有傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣步進(jìn)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直接影響電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，所有傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量都應(yīng)折算到電機(jī)軸上，以獲得當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量都應(yīng)折算到電機(jī)軸上，以獲得當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd （單位：?jiǎn)挝唬篕gm2） 。 圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： J=（d4L）32 電機(jī)軸上當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：電機(jī)軸上當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Jd=JZ1+（JZ2+JS）i2+（P（2i）2m JZ1電機(jī)軸上齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)軸上齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JZ2絲杠軸上齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲杠軸上齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 P 絲杠導(dǎo)程 絲杠導(dǎo)程 機(jī)電一體化系統(tǒng)

36、設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （四）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)的確定（四）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)的確定 1. 步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩TS（TS是選擇電機(jī)的主要參數(shù)）是選擇電機(jī)的主要參數(shù)） TS maxTS1 ，TS2 TS1啟動(dòng)時(shí)（空載或有載）電機(jī)所需最大靜轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)時(shí)（空載或有載）電機(jī)所需最大靜轉(zhuǎn)矩； TS2 最大外載工作時(shí)，電機(jī)所需最大靜轉(zhuǎn)矩。最大外載工作時(shí)，電機(jī)所需最大靜轉(zhuǎn)矩。 TS1 =Tq K Tq啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由下式求得啟動(dòng)時(shí)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(jī)相

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

38、機(jī)不同，曲線也會(huì)有所不同）可查出最大啟動(dòng)頻率及最大運(yùn) 行頻率，實(shí)際啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)應(yīng)低于這一頻率。行頻率，實(shí)際啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)應(yīng)低于這一頻率。 （五）驗(yàn)算慣量匹配（五）驗(yàn)算慣量匹配 電機(jī)軸的當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)軸的當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd與電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm（與電機(jī)有關(guān)的與電機(jī)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(shí)系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)性差。太小經(jīng)濟(jì)性差。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)

39、計(jì) （六）計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（六）計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度主要由傳動(dòng)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(jì)算；中有關(guān)公式計(jì)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 絲杠傳動(dòng)的綜合剛度絲杠傳動(dòng)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(jì)算。中有

40、關(guān)公式計(jì)算。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三三. 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析 什么是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性？什么是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性？ 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)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(dòng)態(tài)特性的參數(shù)主要有兩個(gè)：影響動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)主要有兩個(gè)： 系統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)阻尼固有頻率無(wú)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(wú)阻尼固有頻率系統(tǒng)無(wú)阻尼固有頻率n 縱向振動(dòng)：縱向振動(dòng)： 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(tái)的等效集中質(zhì)量。絲杠和工作臺(tái)的等效集中質(zhì)量

41、。 m=m1+1(3m2) ； m1為工作臺(tái)質(zhì)量，為工作臺(tái)質(zhì)量， m2為絲杠質(zhì)量。為絲杠質(zhì)量。 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：扭轉(zhuǎn)振動(dòng)： 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(kāi)輸入信號(hào)頻率范圍，防止共振。開(kāi)輸入信號(hào)頻率范圍，防止共振。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可提高剛度可提高剛度, , 減小慣量或工作臺(tái)質(zhì)量來(lái)增大減小慣量或工作臺(tái)質(zhì)量來(lái)增大n n , ,設(shè)計(jì)時(shí)一般取設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)縱向振動(dòng)：=f / 2(mk=f / 2(mk0 0) ) f f工作臺(tái)導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù)；工作臺(tái)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(dòng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：=f=fS S/ 2(J/ 2(JS Sk kS S) ) f fS S絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的當(dāng)量粘性系數(shù)；絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)影響的幅值，減小超大，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低振動(dòng)影響的幅值，減小超 調(diào)量，

43、但會(huì)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(huì)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(jì)時(shí)給出具體的阻尼（存在一定的超調(diào)量）。設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)實(shí)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(guò)實(shí) 驗(yàn)獲得具體數(shù)據(jù)。驗(yàn)獲得具體數(shù)據(jù)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 四四. . 系統(tǒng)誤差分析系統(tǒng)誤差分析 在開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)中無(wú)檢測(cè)反饋裝置，輸入與輸出之間總會(huì)存在誤差，在開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)中無(wú)檢測(cè)反饋裝置，輸入與輸出之間總會(huì)存在

44、誤差， 主要有兩個(gè)方面。主要有兩個(gè)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(dòng)或反向時(shí)輸入與輸出之間的差值。啟動(dòng)或反向時(shí)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(jī)構(gòu)綜合拉壓剛度（絲杠螺母機(jī)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(tái)縱向固有頻率工作臺(tái)縱向固有頻率 。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （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(tái)的實(shí)際位置與理論位置之差。定位誤差指的是工作臺(tái)的實(shí)際位置與理論位置之差。 當(dāng)工作臺(tái)處于不同位置時(shí)，絲杠螺母機(jī)機(jī)構(gòu)的綜合拉壓剛度是變化的，當(dāng)工作臺(tái)處于不同位置時(shí)，絲杠螺母機(jī)機(jī)構(gòu)的綜合拉壓

46、剛度是變化的， 這種變化會(huì)引起定位誤差這種變化會(huì)引起定位誤差k 。 在不考慮軸向負(fù)載的情況下，整個(gè)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(gè)行程范圍內(nèi)最大定位誤差： kmax= FK0min F K0max （單位：?jiǎn)挝唬簃） F 工作臺(tái)重力引起的靜摩擦力（工作臺(tái)重力引起的靜摩擦力（N）；）； K0min K0max工作臺(tái)行程范圍內(nèi)絲杠副最小和最大綜合拉壓剛度（工作臺(tái)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.4 閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)

47、控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 什么是閉環(huán)控制系統(tǒng)？什么是閉環(huán)控制系統(tǒng)？ 對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，并根據(jù)偏差對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制的系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，并根據(jù)偏差對(duì)系統(tǒng)實(shí)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(jī)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(jī)床常用的位置閉環(huán)、半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。 機(jī)電一體化系

48、統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(dòng)供水系統(tǒng)是閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。自動(dòng)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(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 總體上說(shuō)方案設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：總體上說(shuō)方案設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮如下幾個(gè)問(wèn)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(jià)格要求、價(jià)格要求 3、市場(chǎng)供貨狀態(tài)、市場(chǎng)供貨狀態(tài) 所選元器件市場(chǎng)

49、能否買到，是否流行，售后服務(wù)如何等。所選元器件市場(chǎng)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(jì)及元件的選擇是與現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)的供貨狀態(tài)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及元件的選擇是與現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)的供貨狀態(tài) 緊密聯(lián)系的。緊密聯(lián)系的。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.4.2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置控制閉環(huán)伺服伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置控制閉環(huán)伺服 系統(tǒng)（交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)與此類似）。系統(tǒng)（交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)可看成是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，傳遞函輸為：、直流伺服電機(jī)可看成是一個(gè)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(shí)間常數(shù)，與轉(zhuǎn)子回路電阻及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素有關(guān)；時(shí)間常數(shù)，與轉(zhuǎn)子回路電阻及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素有關(guān)； S將時(shí)間函數(shù)進(jìn)行拉氏變換后的參數(shù)。將時(shí)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(jī)械系統(tǒng)可看成是一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)，由質(zhì)量塊、機(jī)械系統(tǒng)可看成是一個(gè)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(wú)阻尼固有頻率；無(wú)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(dòng)比。傳動(dòng)比。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jiǎn)后得：化簡(jiǎn)后得： K1K2KmK3 n2 S（1+K2 KmK+ jS）（）（S2+2nS+n2）+K1K2K3KP Km n2 這是一個(gè)高階系統(tǒng)，為便于分析，應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。這是一個(gè)高階系統(tǒng)，為便于分析，應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) （二）數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化（二）數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化 假設(shè)幾種理想

53、狀態(tài)，以便定性分析，實(shí)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(shí)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(méi)有慣性（假定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)是理想的，沒(méi)有慣性（G1=Km），），沒(méi)有阻尼，剛性為沒(méi)有阻尼，剛性為 無(wú)窮大（無(wú)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(jiǎn)化為一階系統(tǒng)，如下，則可簡(jiǎn)化為一階系統(tǒng)，如下 簡(jiǎn)化圖所示（簡(jiǎn)化圖所示（ 將將G3（s） 改為改為K3 ） 。 在簡(jiǎn)化圖中在簡(jiǎn)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(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。