伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)ch03n

CHp3.伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

1、概述2、伺服系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計(jì)算3、伺服系統(tǒng)控制方案選擇4、伺服電機(jī)選擇5、伺服檢測(cè)裝置的選擇6、放大裝置選擇一、伺服系統(tǒng)實(shí)例雷達(dá)-自動(dòng)跟蹤火炮隨動(dòng)系統(tǒng)§3.1概述機(jī)器人-動(dòng)作控制數(shù)控機(jī)床-定位和加工軌跡二、伺服系統(tǒng)的基本要求及特征1.伺服系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定型好（2）精度高（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快（4）抗擾動(dòng)能力強(qiáng)2.伺服系統(tǒng)的基本特征(1)必須具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號(hào)；(2)功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的；(3)足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性能力；(4)快速的響應(yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力。三、電動(dòng)伺服系統(tǒng)的組成由伺服電機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器4大部分組成除了位置傳感器外，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。SSI編碼器反饋SSI編碼器反饋控制指令PMAC驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器交流伺服電機(jī)直驅(qū)電機(jī)減速機(jī)四、電動(dòng)伺服系統(tǒng)控制方法伺服系統(tǒng)的控制方法主要分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方法。它實(shí)際上是指伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。開環(huán)控制只有從發(fā)出的位置指令輸入到最后的位置輸出的前向通道控制，而沒有測(cè)量實(shí)際位置輸出的反饋通道。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)就是開環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)例。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整維護(hù)方便、工作可靠、成本低，但每一指令脈沖的進(jìn)給誤差、傳動(dòng)鏈的誤差間隙、導(dǎo)軌滑動(dòng)時(shí)摩擦力的不均衡等造成的誤差等最終都反映到實(shí)際位移中去，使得定位精度較低。此外，它的速度低，低速平穩(wěn)性差，效率也較低。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大如果在電動(dòng)機(jī)軸或絲桿上安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器反饋轉(zhuǎn)角的變化，則系統(tǒng)變成了半閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，與開環(huán)系統(tǒng)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)，提高了精度，但它檢測(cè)的反饋信號(hào)來(lái)自于系統(tǒng)中某一個(gè)非最終輸出的環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)無(wú)法對(duì)這一環(huán)節(jié)到最終控制目標(biāo)之間的誤差自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋在前向控制通道的基礎(chǔ)上在加上直接檢測(cè)最終輸出的反饋控制通道就形成了閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。檢測(cè)元件通常為直線感應(yīng)同步器和光柵等直線行位檢元件，安裝在最終的移動(dòng)目標(biāo)工作臺(tái)上。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋五、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

對(duì)控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析、負(fù)載分析、執(zhí)行電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的確定、測(cè)量元件的選擇、放大裝置的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算。六、伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)目的

確定系統(tǒng)的基本不變部分的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)果確定了系統(tǒng)的控制能力。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算則是在此基礎(chǔ)上使系統(tǒng)達(dá)到要求的動(dòng)態(tài)性能。包括滿足動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性及快速性要求。伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)特點(diǎn)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)面更寬，需要有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。七、工程定量計(jì)算的計(jì)量單位

我國(guó)計(jì)量管理規(guī)定一律采用國(guó)際單位制(SI)。國(guó)內(nèi)有些產(chǎn)品銘牌數(shù)據(jù)仍沿用工程單位制。在計(jì)算時(shí)應(yīng)統(tǒng)一換算成國(guó)際單位制。

名稱符號(hào)工程單位國(guó)際單位換算關(guān)系轉(zhuǎn)速角速度nΩr/minrad/s1r/min=π/30rad/s飛輪轉(zhuǎn)矩GD2kg·m2g·cm2N·m21kg·m2=9.8N·m21g·cm2=9.8×10-7N·m轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jkg·m·s2g·cm·s2kg·m21kg·m·s2=9.8kg·m21g·cm·s2=9.8×10-5kg·m2力FkgN1kg=9.8N力矩M或Tkg·mg·cmN·m1kg·m=9.8N·m1g·cm=9.8×10-5N·m功(能)Wkg·mW·hJ或N·m1kg·m=9.8J1W·h=3600J功率Pkg·m/shPW或J/s1kg·m/s=9.8W1hP=735.5W§3.2伺服系統(tǒng)典型負(fù)載分析和計(jì)算

明確了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)后，研究被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，根據(jù)對(duì)象的具體特點(diǎn)和受載情況選擇執(zhí)行元件。掌握了一般性研究方法后，需對(duì)負(fù)載作定量分析，根據(jù)對(duì)象的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)建立負(fù)載和干擾模型。隨動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)其控制的動(dòng)力機(jī)構(gòu)（執(zhí)行元件為電機(jī)或液壓馬達(dá)）來(lái)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)（被控對(duì)象）完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。

被控對(duì)象在運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力要求，對(duì)控制系統(tǒng)而言即負(fù)載特性，負(fù)載特性中的受力對(duì)控制系統(tǒng)而言，即運(yùn)動(dòng)中所受的阻力。動(dòng)力機(jī)構(gòu)所得到的系統(tǒng)輸出特性與負(fù)載特性有一個(gè)匹配問(wèn)題。也就是說(shuō)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的輸出能力應(yīng)大于或等于負(fù)載的要求。（即負(fù)載特性）。一、系統(tǒng)典型負(fù)載分析

隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)都是由執(zhí)行電動(dòng)機(jī)(或液壓、氣動(dòng)馬達(dá))帶動(dòng)被控對(duì)象做機(jī)械運(yùn)動(dòng)。其控制特性與被控對(duì)象相聯(lián)系的動(dòng)力學(xué)特性關(guān)系極大。被控對(duì)象能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)狀況，完全取決于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)常見的負(fù)載類型有：慣性負(fù)載、阻尼負(fù)載、彈性負(fù)載、干擾負(fù)載(包括摩擦負(fù)載、常值力、重力負(fù)載）以及流體動(dòng)力負(fù)載等，其中慣性負(fù)載、摩擦負(fù)載幾乎任一系統(tǒng)均有。1.摩擦負(fù)載

在任何機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，每一對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的接觸表面之間都存在著摩擦。普通的現(xiàn)象，情況卻十分復(fù)雜。在工程設(shè)計(jì)中，多采取實(shí)測(cè)的辦法，或采用手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)做近似地估算。

從接觸表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式看，有滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)摩擦。在條件相同的情況下，滾動(dòng)摩擦力比滑動(dòng)摩擦力小。以接觸表面之間的潤(rùn)滑條件來(lái)看，有干摩擦、粘性摩擦(或稱濕摩擦)和介于兩者之間的邊界摩擦(俗稱半干摩擦)。在條件相同情況下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于兩者之間。摩擦力Fc=f·N。摩擦系數(shù)f與法向壓力、接觸表面特性、粗糙度、溫度、滑動(dòng)速度、接觸時(shí)間等均有關(guān)。輸出軸上承受的摩擦力矩是由系統(tǒng)整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)各部分的摩擦作用綜合的結(jié)果。以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為例:

靜摩擦力矩最大，隨著輸出角速度Ω的增加(0<｜Ω｜<Ω1)，摩擦力矩減小，當(dāng)Ω繼續(xù)增加(｜Ω｜>｜Ω1｜)時(shí)，摩擦力矩又略有增加或保持不變。摩擦負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的工作品質(zhì)影響很大。動(dòng)態(tài)分析計(jì)算時(shí)，則將摩擦負(fù)載特性近似為線性關(guān)系。對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)而言，摩擦負(fù)載影響系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)要求低速跟蹤時(shí)，由于摩擦負(fù)載在低速區(qū)有dMc/dΩ<0，系統(tǒng)將出現(xiàn)的低速爬行現(xiàn)象。2.慣性負(fù)載物體作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)便有慣性負(fù)載產(chǎn)生。當(dāng)執(zhí)行元件帶動(dòng)被控對(duì)象沿直線作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，被控對(duì)象存在有慣性力FLFL=-m(dv/dt)式中m為被控對(duì)象質(zhì)量；v為運(yùn)動(dòng)速度；負(fù)號(hào)表示慣性力FL的方向始終阻止速度變化。當(dāng)系統(tǒng)所帶的被控對(duì)象作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被控對(duì)象形成的慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

ML=-JL[dΩ/dt]式中ML為慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩；JL為被控對(duì)象繞其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Ω為其角速度。JL=m為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，r為繞軸半徑。具有簡(jiǎn)單幾何形狀的質(zhì)量均勻分布的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表達(dá)式列入34頁(yè)表3.2中。圖形較為復(fù)雜的對(duì)象可用簡(jiǎn)單形狀組合而成。流體中作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，除自身的慣性力和慣性力矩以外，還有部分有水引起的附加質(zhì)量(或附加質(zhì)量慣量)。3.阻尼負(fù)載

當(dāng)被控對(duì)象在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了形成一定的附加質(zhì)量慣量(或附加質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)以外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由于流體摩擦、興波等原因而造成的阻力(或阻力矩)，這個(gè)力(或力矩)與物體運(yùn)動(dòng)的速度、速度的平方甚至更高次方成比例。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不高情況下，可以認(rèn)為阻尼力(或力矩)與運(yùn)動(dòng)速度(或角速度)成比例。

Fv=-b·vMΩ=-2N·ΩFv為阻尼力；b為阻尼系數(shù)；v為對(duì)象在流體中的運(yùn)動(dòng)速度；

MΩ為阻尼力矩；2N為阻尼力矩系數(shù)（或阻尼系數(shù)）。在分析船在水中運(yùn)動(dòng)或者類似舵、鰭等伸出船外的裝置在水中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)用到阻尼力(力矩)和附加水質(zhì)量(或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)。有時(shí)在減速箱中為保持良好潤(rùn)滑而注入一些潤(rùn)滑油也會(huì)產(chǎn)生阻尼力(力矩)。綜合以上情況，可以用一個(gè)通式來(lái)表示負(fù)載力矩，即

F=-Fcsig(v)–bv-m[dv/dt]M=-Mcsig(Ω)-2NΩ-J[dΩ/dt]式中的b和2N根據(jù)運(yùn)動(dòng)存在的介質(zhì)，可以是某個(gè)常數(shù)(在流體中)，也可以是零(在空氣中)。

4.其他工作阻力負(fù)載

除了上述三項(xiàng)由對(duì)象自身運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的負(fù)載力(力矩)之外。有些運(yùn)動(dòng)對(duì)象還會(huì)受到正常工作要克服的阻力(力矩)。例如:

切削機(jī)床的切削力(力矩)；升降機(jī)在上升時(shí)要克服重力；船舶減搖鰭在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要克服由于重心與轉(zhuǎn)軸不一致導(dǎo)致的重力力矩和由于浮力中心和軸線不一致而造成的浮力不平衡力矩；雷達(dá)天線在運(yùn)動(dòng)時(shí)要克服風(fēng)載阻力矩。

負(fù)載的受力情況復(fù)雜，無(wú)論機(jī)械力或流體力（不包括非線性力），如果僅考慮直線運(yùn)動(dòng)的情況，系統(tǒng)的負(fù)載特性可表示為

負(fù)載慣性力：粘性阻尼力：彈性力：常值干擾力：如果考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況，負(fù)載特性都可表示為在系統(tǒng)分析中，干擾力不影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)，只造成系統(tǒng)的干擾誤差

二、典型系統(tǒng)的綜合負(fù)載分析和計(jì)算實(shí)際伺服系統(tǒng)控制被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，都要克服多種負(fù)載的影響，因而需要根據(jù)各自的運(yùn)動(dòng)規(guī)律做具體分析和綜合。我們?cè)诮⑾到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程以及在選擇執(zhí)行元件功率時(shí)，需要把對(duì)象所受到的負(fù)載換算到執(zhí)行元件輸出軸上。

1.負(fù)載的傳遞和轉(zhuǎn)化

一般高速運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件帶動(dòng)相對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的被控對(duì)象都需用減速裝置。三級(jí)齒輪減速器負(fù)載的傳遞與轉(zhuǎn)化。

電機(jī)經(jīng)過(guò)三級(jí)齒輪減速而帶動(dòng)負(fù)載。Z11，Z12，…代表各級(jí)齒輪齒數(shù)。電機(jī)至負(fù)載的總速比為i。

2.負(fù)載的綜合特性例1：龍門刨床工作臺(tái)控制系統(tǒng)負(fù)載分析與綜合

設(shè)R為與工作臺(tái)齒條相嚙合的齒輪節(jié)圓半徑，i為電機(jī)與該齒輪之間傳動(dòng)鏈的總速比，η為總效率。

例2：火炮方位隨動(dòng)系統(tǒng)分析與綜合。火炮跟蹤等速直線飛行目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下。當(dāng)系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)時(shí)，角速度dA/dt始終為正值，故摩擦力矩Mc可視為常值。設(shè)運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，慣性力矩Mj應(yīng)與的規(guī)律一致。若在跟蹤過(guò)程中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊，則會(huì)有沖擊力矩Ms作用在執(zhí)行軸上，系統(tǒng)承受的總的負(fù)載力矩t1時(shí)刻MΣ出現(xiàn)的脈沖為迭加了沖擊力矩Ms所致。

例3減搖鰭轉(zhuǎn)鰭力矩分析與綜合船舶減搖鰭在船舷外的空間位置示意圖。

鰭在與平行迎面來(lái)流之間的攻角為。由于鰭上方的水流受擠而流線變密，導(dǎo)致流速增加，鰭下方流速減小。鰭上方的靜壓小于下方的靜壓，兩者的壓差如圖中排線箭頭形成的包絡(luò)線。總的合力作用點(diǎn)為P，合力為R。R可以分解為升力Y和阻力X，升力Y對(duì)船重心形成扶正力矩。合力對(duì)軸線O形成一力矩M01。此時(shí)如果鰭首向上轉(zhuǎn)動(dòng)，則M01將阻礙鰭轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)鰭角做一般性的運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體動(dòng)力形成的力矩為式中M01為定常流體動(dòng)力力矩。因?yàn)轹捿S不在首部，故呈非平衡狀態(tài)。M01=Cm1·,Cm1是用實(shí)驗(yàn)方法獲得的與攻角有關(guān)系數(shù)；

M02為非定常力矩，它與攻角角速度和攻角有關(guān)。計(jì)算Cm2比較復(fù)雜，需根據(jù)一定的圖譜公式，然后再假定鰭角做某種規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，一般假定=sinωt。這樣才能知道與的對(duì)應(yīng)關(guān)系得Cm2。一般ω等于1.3～2倍的船的諧搖頻率。M03是一項(xiàng)與加速度有關(guān)的慣性力矩。它是由鰭自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和附加水質(zhì)量慣量引起的慣性力矩。式中的J是鰭、鰭軸和做搖擺運(yùn)動(dòng)的連動(dòng)部分總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ΔJ是附加水質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

Mc是摩擦力矩。由于有防止?jié)B漏的密封裝置，摩擦力矩比一般的傳動(dòng)要大，通過(guò)實(shí)船實(shí)驗(yàn)表明：Mc約占總力矩的10%～20%。

M′01是由重力不通過(guò)軸線和浮力不通過(guò)軸線引起的不平衡力矩。按鰭的幾何形狀和空間布置可算出。三、隨機(jī)干擾負(fù)載模型

控制系統(tǒng)常常遇到非確定的隨機(jī)干擾負(fù)載，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)建立隨機(jī)干擾負(fù)載模型（干擾負(fù)載的譜密度函數(shù)）。例4

雷達(dá)天線隨動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)載模型?？紤]隨機(jī)信息(例如風(fēng)速、陀螺漂移等)的值是躍變的，每一區(qū)段值與以前區(qū)段值無(wú)關(guān)，而且躍變時(shí)刻t1,t2,t3,…是隨機(jī)的。先求這類信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)是相距為τ時(shí)刻的兩個(gè)函數(shù)值的乘積的平均值。當(dāng)x(t)和x(t+τ)處在同一區(qū)段時(shí)

x(t)x(t+τ)=

而當(dāng)x(t)和x(t+τ)處于不同區(qū)段時(shí)，有

x(t)·x(t+τ)=

設(shè)t和t+τ在同一區(qū)段的概率為Q(τ)，則相關(guān)函數(shù)可表示為R(τ)為信號(hào)在τ時(shí)間間隔內(nèi)不變的概率。設(shè)β是信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)的平均變化次數(shù)，在Δt足夠小時(shí)，在Δt內(nèi)變化的概率就是β·Δt，而不變化的概率是1-β·Δt。將(0，τ)分為成r個(gè)Δt，第一個(gè)Δt內(nèi)不變的概率為(1-β·Δt)，第一個(gè)Δt和第二個(gè)Δt均不變的概率為(1-βΔt)

2，在r個(gè)Δt內(nèi)均為不變的概率是(1-β·Δt)r。以τ/Δt代替r，并令Δt→0，得

信號(hào)在(0，τ)內(nèi)不變的概率，即

從上式可以看到，這類譜密度函數(shù)的主要參數(shù)是均方值和單位時(shí)間內(nèi)變化次數(shù)β。這兩個(gè)參數(shù)一般可以根據(jù)物理過(guò)程來(lái)近似得到。就雷達(dá)天線的風(fēng)載而言，可以先估算風(fēng)載力矩均方值，再根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速在單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù)確定β。有了這兩個(gè)參數(shù)，就可以確定風(fēng)載譜密度了。舉例說(shuō)明：設(shè)有直徑為6m的天線，已知平均風(fēng)速V0=72km/h，陣風(fēng)最大風(fēng)速Vm=96km/h,β=0.11(1/s)，天線上的風(fēng)載力矩為例5

斜浪航行時(shí)的橫搖干擾模型假設(shè)：波浪是一維平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，也就是其譜密度是單參數(shù)譜船舶傍浪航行時(shí)波浪對(duì)船舶的橫搖干擾模型為K(ω)是考慮船的寬度和吃水深度對(duì)波浪來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)點(diǎn)而引起的修正系數(shù)；α為波傾角，波傾角是波動(dòng)方程ξ(X,t)對(duì)坐標(biāo)X的導(dǎo)數(shù)，相當(dāng)于船所在波面位置處波面和水平面的夾角；Sξ(ω)為海浪波幅譜密度。航向與浪向的夾角（參考方向：相對(duì)為0）

0°90°180°大于0°小于90°大于90°小于180°逆浪旁浪順浪逆斜浪順斜浪

斜浪航行時(shí)，航速會(huì)影響船與波浪的遭遇頻率。逆斜浪使船與波浪遭遇周期變短，順斜浪則其變長(zhǎng)。斜浪航行時(shí)波傾角與傍浪航行是不一致的。這兩種因素都使橫搖干擾力矩模型變化。浪向角為μ逆斜浪航行的情況。波峰相對(duì)于船的傳播速度為

絕對(duì)坐標(biāo)系里的海浪波幅譜密度是Sξ(ω)，相對(duì)坐標(biāo)系里波幅譜密度是Sξ(ωe)。波能譜從Sξ(ω)到Sξ(ωe)，總能量并沒有變化。對(duì)應(yīng)dω和dωe區(qū)間的能量相等，即

Sξ(ω)dω=Sξ(ωe)dωe因?yàn)橛?/p>

考慮斜浪航行時(shí)波傾角的變化。斜浪航行時(shí)，相對(duì)波長(zhǎng)已不是λ而是λ２。此時(shí)對(duì)應(yīng)橫剖面的波傾角

αu=αsinμ式中α為傍浪時(shí)的波傾角。當(dāng)考慮以上所討論的兩種因素后，船在斜浪航行時(shí)的橫搖干擾力矩模型是斜浪時(shí)波傾角幅度變化僅僅在船的長(zhǎng)度相對(duì)于波長(zhǎng)是很小的情況下才有意義。當(dāng)船長(zhǎng)與波長(zhǎng)相接近時(shí)，沿船長(zhǎng)不同的橫剖面上波傾角不僅在大小而且在符號(hào)上也發(fā)生了變化。

§3.3伺服系統(tǒng)控制方案選擇

一、控制方案的選擇(電動(dòng)伺服系統(tǒng))

伺服系統(tǒng)的都是為某一具體的控制對(duì)象服務(wù)的，因而必須按照對(duì)象的特點(diǎn)和需要，制訂方案，以作為依據(jù)。系統(tǒng)控制方案的選擇要考慮系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，元件的資源和經(jīng)濟(jì)性；工作的可靠性和使用壽命；可操作性能和可維護(hù)性能。方案分類直流、交流、交直流混合和數(shù)字控制等方案；單回路和多回路方案；線性控制和非線性控制方案；前饋控制和補(bǔ)償控制，亦稱復(fù)合控制等。連續(xù)控制和離散控制混合系統(tǒng)是一個(gè)重要技術(shù)發(fā)展方向。

伺服控制方案的比較1、直流、交流與混合控制方案比較結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精度問(wèn)題及優(yōu)點(diǎn)直流方案簡(jiǎn)單容易高直流無(wú)刷伺服電機(jī)——電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定，電機(jī)功率有局限做不大。直流有刷伺服電機(jī)——電機(jī)成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。適用于成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。梯形波控制，脈動(dòng)小。交流方案復(fù)雜容易高交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面來(lái)衡量。適合低速平穩(wěn)運(yùn)行。正弦控制，無(wú)脈沖具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以達(dá)到1:100000以上；定位精度一般都要達(dá)到±1個(gè)脈沖，穩(wěn)速精度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度比如給定1rpm時(shí)，一般的在±0.1rpm以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到±0.01rpm以內(nèi)；

;國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上覆蓋面最廣的10個(gè)品牌分別是：西門子、三菱、安川、蘭電、松下、Fanuc、華中數(shù)控、ABB、和利時(shí)電機(jī)和AB（屬于RockwellAutomation）。其中西門子和三菱品牌覆蓋率在30%以上，AB在3.7%，其他品牌均在10～20%之間。混合方案較復(fù)雜一般較高

采用相敏檢波器，有效抑制了零位的高次諧波和正交分量，同時(shí)采用直流較正裝置也容易實(shí)現(xiàn)，使得控制系統(tǒng)的精度得到提高直流伺服電機(jī)的使用場(chǎng)合：

小慣量—音栓電路板的自動(dòng)鉆孔機(jī)；中慣量(寬調(diào)速)-數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)；大慣量—數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)；特種形式的低慣量直流電機(jī)

2、單回路，雙回路和多路比較

單回路容易實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但性能上有缺陷。對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。系統(tǒng)開環(huán)特性G(s)=Gc(s)G0(s)都在前向通道內(nèi)，因此Gc(s)和G0(s)的參數(shù)變化將全部反映在閉環(huán)傳遞函數(shù)的變化中。抑制干擾能力差。存在干擾作用時(shí)，系統(tǒng)輸出對(duì)干擾作用N１(s)和N2(s)的傳遞函數(shù)分別為

對(duì)于二階系統(tǒng)，在一定頻率范圍內(nèi)，1-Φ(s)>1,

系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)N２(s)比沒有反饋時(shí)要差。因此，單回路控制系統(tǒng)難于抑制干擾作用的影響。在單回路系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的指標(biāo)要求較高，系統(tǒng)的增益應(yīng)當(dāng)較大，則系統(tǒng)通過(guò)串聯(lián)校正很可能難以實(shí)現(xiàn)，必須改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。單回路控制系統(tǒng)只適用于被控對(duì)象比較簡(jiǎn)單。性能指示要求不很高的情況。在要求較高的控制系統(tǒng)中，一般采用雙回路和多回路結(jié)構(gòu)。雙回路控制系統(tǒng)對(duì)輸入和干擾的傳遞函數(shù)分別為

可以選擇串聯(lián)校正裝置Gc1(s)和并聯(lián)校正裝置Gc2(s)來(lái)滿足對(duì)R(s)和N(s)的指標(biāo)要求。由于有了局部反饋，可以充分抑制N(s)的干擾作用，而且當(dāng)部件G2(s)的參數(shù)變化很大時(shí)，局部閉環(huán)可以削弱它的影響。一般局部閉環(huán)是引入速度反饋。它還可改善系統(tǒng)的低速性能和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

選擇局部閉環(huán)的原則如下：一方面要包圍干擾作用點(diǎn)及參數(shù)變化較大的環(huán)節(jié)，同時(shí)又不要使局部閉環(huán)的階次過(guò)高(一般不高于三階)。3、復(fù)合控制反饋控制是按照被控參數(shù)的偏差進(jìn)行控制的，只有當(dāng)被控參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，才能形成偏差，從而才有控制作用。復(fù)合控制則是在偏差出現(xiàn)以前，就產(chǎn)生控制作用，屬于開環(huán)控制方式。前饋控制又叫順饋控制或開環(huán)補(bǔ)償。引入前饋控制的目的之一是補(bǔ)償系統(tǒng)在跟蹤過(guò)程中產(chǎn)生的速度誤差，加速度誤差等。補(bǔ)償控制是對(duì)外界干擾進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)外界干擾可量測(cè)時(shí)，通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，引入補(bǔ)償信號(hào)可以抵消干擾作用對(duì)輸出的影響。對(duì)干擾實(shí)現(xiàn)了完全的不變性。

二、選擇方案的注意事項(xiàng)選擇方案最基本的依據(jù)就是用戶對(duì)系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。針對(duì)不同的使用環(huán)境，選擇方案的出發(fā)點(diǎn)就不同。軍用伺服系統(tǒng)：工作品質(zhì)、可靠性和靈活性；民用伺服系統(tǒng)：長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；系統(tǒng)運(yùn)行速度很高，且經(jīng)常處于加速度狀態(tài)，對(duì)精度的要求高時(shí)，可以設(shè)計(jì)二階無(wú)差度系統(tǒng)或者采用復(fù)合控制系統(tǒng)。負(fù)載調(diào)速范圍很寬時(shí)，一般選無(wú)槽電動(dòng)機(jī)。高性能系統(tǒng)中，一般選大慣量寬調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)，采用直接耦合傳動(dòng)方案。考慮電磁兼容性要求。選擇方案應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的主要要求，初步擬定方案，進(jìn)行可行性分析、試驗(yàn)，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。有時(shí)需要構(gòu)思幾個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比、優(yōu)化，方案確定后便可按照設(shè)計(jì)步驟逐項(xiàng)進(jìn)行，并在試驗(yàn)中作局部修改?！?.4執(zhí)行電機(jī)的選擇一、選擇執(zhí)行電機(jī)的基本要求伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，可采用電動(dòng)機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)、氣動(dòng)設(shè)備、電磁離合器等。對(duì)執(zhí)行電機(jī)的要求如下：

(1)滿足負(fù)載運(yùn)動(dòng)的要求（提供足夠的力矩和功率）

(2)正反轉(zhuǎn)，起停，保證系統(tǒng)的快速運(yùn)動(dòng)

(3)調(diào)速范圍

(4)功率消耗、尺寸要求

確定電機(jī)類型、額定輸入輸出參數(shù)額定電壓UR、額定電流IR、額定功率PR、額定轉(zhuǎn)速nR

控制方式電機(jī)到負(fù)載之間傳動(dòng)裝置的類型、速比、傳動(dòng)級(jí)數(shù)和速比分配，估算傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)效率。二、伺服電動(dòng)機(jī)的類型直流伺服電動(dòng)機(jī)、低速大扭矩寬調(diào)速電機(jī)、兩相異步電機(jī)、三相異步電機(jī)、同步電機(jī)、滑差電機(jī)、力矩電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。

1.直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分：他激、串激、并激。控制方式分電樞控制和磁場(chǎng)控制兩大類。

電樞控制易獲得較平直的機(jī)械特性，有較寬的調(diào)速范圍。功率范圍幾百瓦至幾十千瓦。

磁場(chǎng)控制分電樞電壓保持不變和電樞電流保持不變兩種。

電樞電壓為常值，功率在幾百瓦電機(jī)，具有弱磁升速特性。在幾十瓦以內(nèi)，且負(fù)載力矩MR較大，負(fù)載特性處于機(jī)械特性匯交點(diǎn)的右邊，可以實(shí)現(xiàn)弱磁降速，激磁電流IR近似與轉(zhuǎn)速成正比，可用于可逆連續(xù)調(diào)速場(chǎng)合。調(diào)速范圍和調(diào)節(jié)特性的線性度均遠(yuǎn)不如電樞控制。

電樞電流保持不變的磁場(chǎng)控制，只能用于幾瓦至十幾瓦的小功率電機(jī)，只有加較深的速度負(fù)反饋系統(tǒng)才可獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。在只有輸出力矩(轉(zhuǎn)速可以為零)的場(chǎng)合比較適用。

直流他激伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—慣量比是很小的，已不能適應(yīng)現(xiàn)代伺服控制技術(shù)要求.兩種高性能的小慣量高速直流伺服電動(dòng)機(jī)

(1)小慣量無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)又稱表面繞組電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。結(jié)構(gòu)不同之處在于電樞的鐵心表面無(wú)槽，電樞繞組與鐵心成為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，電樞繞組均勻分布在鐵心表面上，大大縮小了電樞直徑，減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。換向性能改善，過(guò)載能力加強(qiáng)。改善低速平穩(wěn)性、擴(kuò)大了調(diào)速范圍。

具有以下優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，普通電機(jī)1/10，電磁時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快轉(zhuǎn)矩—慣量比大，過(guò)載能力強(qiáng)，最大轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩大10倍低速性能好，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，線性度好，摩擦小，調(diào)整范圍可達(dá)數(shù)千比一。

具有以下缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速高，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)仍需減速器氣隙大，安匝數(shù)多，效率低。慣量小、熱容量較小，過(guò)載時(shí)間不能太長(zhǎng)。由于電機(jī)本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可能要占系統(tǒng)總慣量中較大成份。負(fù)載轉(zhuǎn)慣量發(fā)生變化時(shí)，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。慣量匹配問(wèn)題。

無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種大功率直流伺服電動(dòng)機(jī)，主要用于需要快速動(dòng)作，功率較大的伺服系統(tǒng)中，如雷達(dá)天線的驅(qū)動(dòng)、自行火炮、導(dǎo)彈發(fā)射架驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及數(shù)控機(jī)床等方面都有應(yīng)用實(shí)例。

(2)空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小的直流伺服電動(dòng)機(jī)，為“超低慣量伺服電動(dòng)機(jī)”。低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，起動(dòng)時(shí)間常數(shù)可達(dá)1ms以下。轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比很大，角加速度可達(dá)106rad/s2。靈敏度高，快速性好，速度調(diào)節(jié)方便，始動(dòng)電壓在100mV以下?lián)p耗小、效率高。效率可達(dá)80%或更高。繞組均勻分布，無(wú)齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，低速平穩(wěn)，噪聲小繞組的散然條件好，其電流密度可取到30A/mm２。轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心，電樞電感很小，換向性能很好，提高使用壽命

空心杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦，多用于高精度的伺服系統(tǒng)及測(cè)量裝置等設(shè)備中，如電視攝像機(jī)、各種錄單機(jī)、X-Y函數(shù)記錄儀、數(shù)控機(jī)床等機(jī)電一化設(shè)備中。2.低速大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)低速大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)是在過(guò)去軍用低速力矩電動(dòng)機(jī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)。相對(duì)于前面的小慣量電動(dòng)機(jī)而言，大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)具有下列特點(diǎn)：高轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比，從而提供了極高的加速度和快速響應(yīng)高熱容量，使電機(jī)在自然冷卻全封閉條件下，仍能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩和低速特性使得它可與對(duì)象直接耦合電動(dòng)機(jī)在大的加速度和過(guò)載情況下，有良好的換向。電動(dòng)機(jī)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，保證有長(zhǎng)的壽命和高的可靠性。采用能承受重載荷的軸和軸承，使得電動(dòng)機(jī)在加、減速和低速大轉(zhuǎn)矩時(shí)能承受最大峰值轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝有高精度和高可靠性的反饋元件——脈沖編碼器或多極旋轉(zhuǎn)變壓器和低紋波測(cè)速發(fā)電機(jī)。

3.兩相異步電動(dòng)機(jī)兩相異步電動(dòng)機(jī)在幾十瓦以內(nèi)的小功率隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用?？刂品绞椒址悼刂坪拖辔豢刂?。兩相異步電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，本身摩擦力矩小，比較靈敏。具有杯型轉(zhuǎn)子的兩相異步機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，因而快速響應(yīng)特性好，常見于儀表隨動(dòng)系統(tǒng)中。

4.三相異步電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)控制方式有多種，如變頻調(diào)速、變電壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、脈沖調(diào)速等。變頻調(diào)速可獲得比較平直的機(jī)械特性，調(diào)速范圍比較寬但控制線路復(fù)雜。該調(diào)速方法目前已得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)中傳統(tǒng)使用的是利用可控硅實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速，它只適用于線繞式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)。變壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速均在單向調(diào)速時(shí)采用，低速性能差且調(diào)速范圍不寬。與同功率的直流電機(jī)相比，三相異步電機(jī)的體積小、重量輕、價(jià)格便宜、維護(hù)簡(jiǎn)單。

5.滑差電機(jī)(亦稱轉(zhuǎn)差離合器)

滑差電機(jī)的主動(dòng)部分由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)作單向等速運(yùn)轉(zhuǎn)，用直流控制它的激磁，激磁電流大小可調(diào)節(jié)其從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速，從動(dòng)部分帶動(dòng)負(fù)載追隨主動(dòng)部分，故只能單方向調(diào)速。其機(jī)械特性較軟，調(diào)速范圍不大，低速性能較差，但控制線路簡(jiǎn)單。

6.步進(jìn)電機(jī)按激磁方式分永磁式、感應(yīng)式和反應(yīng)式。其中反應(yīng)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用得較為普遍。目前工業(yè)上多用于小功率場(chǎng)合，步進(jìn)電機(jī)特別適合于增量控制，在機(jī)床進(jìn)刀系統(tǒng)中廣泛采用。

7.力矩電機(jī)

力矩電機(jī)分直流和交流兩種。它在原理上與他激直流電機(jī)和兩相異步電機(jī)一樣，只是在結(jié)構(gòu)和性能上有所不同，比較適合于低速調(diào)速系統(tǒng)，甚至可長(zhǎng)期工作于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)只輸出力矩，因此它可以直接與控制對(duì)象相聯(lián)而不需減速裝置。8.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大(力矩電機(jī))，控制方法簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是有換向器和電刷。兩相伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒有換向器和電刷，缺點(diǎn)是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性具有嚴(yán)重的非線性，轉(zhuǎn)矩小，效率低。兩者的結(jié)合，在現(xiàn)今已得以實(shí)現(xiàn)。這種電動(dòng)機(jī)用電子換向開關(guān)電路和位置傳感器代替電刷和換向器，這使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，調(diào)節(jié)特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、沒有電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，低速時(shí)轉(zhuǎn)速的均勻性差?？刂朴脽o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)包括無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)。

三、現(xiàn)階段的伺服電動(dòng)機(jī)伺服電機(jī)（servomotor）:是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)。且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)：直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。伺服主要靠脈沖來(lái)定位。伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)。

直流伺服電機(jī)：有刷和無(wú)刷電機(jī)。

有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。無(wú)刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。交流伺服電機(jī)是無(wú)刷電機(jī)：分為同步和異步電機(jī)。目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)單，便宜。從上世紀(jì)80年代，伺服電機(jī)開始轉(zhuǎn)向交流伺服控制。高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，控制驅(qū)動(dòng)器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國(guó)西門子、美國(guó)科爾摩根和日本松下及安川等公司。日本安川電機(jī)制作所推出的小型交流伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，有推出D、R、M、F、S、H、C、G八個(gè)系列（功率范圍為0.05～6kW）；D系列適用于數(shù)控機(jī)床（最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用于機(jī)器人（最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。日本法那克（Fanuc）公司，在20世紀(jì)80年代中期也推出了S系列（13個(gè)規(guī)格）和L系列（5個(gè)規(guī)格）的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)。L系列有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)械時(shí)間常數(shù)，適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。：三菱電動(dòng)機(jī)（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機(jī)（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機(jī)（S系列）德國(guó)力士樂(lè)公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動(dòng)機(jī)共有7個(gè)機(jī)座號(hào)92個(gè)規(guī)格。德國(guó)西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類，共8個(gè)機(jī)座號(hào)98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動(dòng)機(jī)與相同輸出力矩的直流伺服電動(dòng)機(jī)IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器6SC61系列，最多的可供6個(gè)軸的電動(dòng)機(jī)控制。德國(guó)博世（BOSCH）公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個(gè)規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個(gè)規(guī)格）交流伺服電動(dòng)機(jī)和ServodynSM系列的驅(qū)動(dòng)控制器。美國(guó)Gettys曾一度作為Gould電子公司一個(gè)分部（MotionControlDivision），生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動(dòng)機(jī)和A600系列的伺服驅(qū)動(dòng)器。后合并到AEG，恢復(fù)了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。美國(guó)A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅(qū)動(dòng)分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)和1391型交流PWM伺服控制器。電動(dòng)機(jī)包括3個(gè)機(jī)座號(hào)共30個(gè)規(guī)格。愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國(guó)外的一個(gè)分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)直流伺服電動(dòng)機(jī)、直流力矩電動(dòng)機(jī)和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機(jī)座號(hào)共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)和八種控制器。法國(guó)Alsthom集團(tuán)在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列（長(zhǎng)型）和GC系列（短型）交流伺服電動(dòng)機(jī)共14個(gè)規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動(dòng)器。伺服電機(jī)和其他電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)）相比到底有什么優(yōu)點(diǎn)：1、精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；3、適應(yīng)性：抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；5、及時(shí)性：電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。平常看到的那種普通的電機(jī)，斷電后它還會(huì)因?yàn)樽陨淼膽T性再轉(zhuǎn)一會(huì)兒，然后停下。而伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是說(shuō)停就停，說(shuō)走就走，反應(yīng)極快。但步進(jìn)電機(jī)存在失步現(xiàn)象。直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)調(diào)速性好，單位重量和體積下，輸出功率最高，大于交流電機(jī)，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)步進(jìn)電機(jī)。多級(jí)結(jié)構(gòu)的力矩波動(dòng)小。直流無(wú)刷、有刷伺服電機(jī)特點(diǎn)比較無(wú)刷的：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、啟動(dòng)電壓低、空載電流?。环墙佑|式換向系統(tǒng)，大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速高達(dá)100000rpm；無(wú)刷伺服電機(jī)在執(zhí)行伺服控制時(shí)，無(wú)須編碼器也可實(shí)現(xiàn)速度、位置、扭矩等的控制；不存在電刷磨損情況，除轉(zhuǎn)速高之外，還具有壽命長(zhǎng)、噪音低、無(wú)電磁干擾等特點(diǎn)。有刷的：1.體積小、動(dòng)作快反應(yīng)快、過(guò)載能力大、調(diào)速范圍寬；2.低速力矩大,波動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)；3.低噪音,高效率；4.后端編碼器反饋（選配）構(gòu)成直流伺服；5.變壓范圍大，頻率可調(diào)。伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的性能比較控制精度不同：步進(jìn)電機(jī)稍差，例如三洋提供的步距最小的達(dá)0.036°；伺服電機(jī)精度很高，例如三洋標(biāo)準(zhǔn)的自帶2000線的伺服電機(jī)經(jīng)4倍頻后，精度可達(dá)360°/8000=0.045°；若采用17位編碼器，可達(dá)360°/131072=0.0027466°。低頻特性不同：步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這是由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。矩頻特性不同：步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。過(guò)載能力不同：步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。運(yùn)行性能不同：步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。6.速度響應(yīng)性能不同：步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)與單相異步電動(dòng)機(jī)比較交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大：由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0>1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。2、運(yùn)行范圍較廣。3.無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S曲線）交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。

四、伺服電動(dòng)機(jī)的選擇

1、基本依據(jù)

（1）典型負(fù)載干摩擦力矩Mc=McsignΩ(Nm)

慣性力矩ML=Jε=J(dΩ/dt)(Nm)

粘性摩擦力矩MΩ=2NΩ(Nm)

重力力矩MG=GL(Nm)

彈性力矩MK=Kθ(Nm)

風(fēng)阻力矩Mf

=f(Nm)

（2）描述與定量分析典型負(fù)載與其運(yùn)動(dòng)參數(shù)（Ω

ε

θ

）有關(guān)，若對(duì)象運(yùn)動(dòng)有規(guī)律，則可用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)形式來(lái)描述；多數(shù)被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是隨機(jī)的，工程采用近似方法，選取有代表性的工況作定量分析；長(zhǎng)期運(yùn)行電機(jī)發(fā)熱狀態(tài)短時(shí)超載系統(tǒng)極限運(yùn)動(dòng)的承載能力根據(jù)動(dòng)態(tài)性能要求檢驗(yàn)電機(jī)的響應(yīng)能力被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)與電機(jī)運(yùn)動(dòng)是同時(shí)進(jìn)行的，既要克服對(duì)象的負(fù)載，也要克服電機(jī)自身的負(fù)載。（3）銘牌定量計(jì)算方法產(chǎn)品單位要用國(guó)際單位統(tǒng)一。2.電機(jī)基本參數(shù)計(jì)算

a)力矩電機(jī)

產(chǎn)品參數(shù)，以LY系列永磁力矩電機(jī)目錄為例輸出參數(shù)：峰值堵轉(zhuǎn)力矩Mmbl、最大空載轉(zhuǎn)速nm0(對(duì)應(yīng)Um的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速)、連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩Mcbl；輸入?yún)?shù)：峰值堵轉(zhuǎn)電流Imbl、峰值堵轉(zhuǎn)電壓Um、連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流

Icbl和電壓Uc；電機(jī)參數(shù)：電勢(shì)系數(shù)Ce、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr、電磁時(shí)間常數(shù)Ti計(jì)算公式b)直流伺服電機(jī)輸出參數(shù)：額定轉(zhuǎn)矩MR、額定轉(zhuǎn)速nR、額定功率PR；輸入?yún)?shù)：電樞電流IR、電樞電壓UR、激磁電流If和電壓Uf；電機(jī)參數(shù)：電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr、或轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式3.多軸條件下傳動(dòng)執(zhí)行電機(jī)選擇1).等效負(fù)載的計(jì)算

Ωm/ΩL=i>1，力矩關(guān)系：1/(iη)其中η<12).電機(jī)初選依據(jù)

選擇電機(jī)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，選擇傳動(dòng)比i的類型，估計(jì)η，并折算到電機(jī)軸。

0.92～0.96≤η（圓柱齒輪或圓錐齒輪）≤0.98

0.70～0.80≤η（齒條或蝸桿輪）≤0.75～0.820.50～0.60≤η（螺母絲桿）一般傳動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Jp≈(0.05

～0.1)Jr(Jr

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)電機(jī)功率小時(shí)，取0.1，功率大時(shí)，取0.05。3）電機(jī)的檢驗(yàn)驗(yàn)算進(jìn)行三個(gè)方面的驗(yàn)證:溫升發(fā)熱、短時(shí)極限承受力、動(dòng)態(tài)頻帶溫升發(fā)熱驗(yàn)證：a.溫升發(fā)熱利用負(fù)載的均方根核實(shí)電機(jī)的溫升發(fā)熱情況?？紤]電機(jī)、負(fù)載端摩擦和電機(jī)、減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的負(fù)載均方根

傳動(dòng)比b.短時(shí)極限承受力驗(yàn)證:

以極限角加速度εlim作為短時(shí)運(yùn)行，此時(shí)承受的轉(zhuǎn)矩MΣ

用λ過(guò)載系數(shù)來(lái)衡量，即短時(shí)(t3s)超載Msup=λMR

鼠籠式兩相異步電機(jī)λ=1.8～2

空心杯兩相異步電機(jī)λ=1.1～1.4

伺服三相異步電機(jī)λ=1.6～2.2

直流伺服電機(jī)λ=2.5～3

；直流力矩電機(jī)不能超過(guò)Mmbl

驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)：MΣ

λMe，對(duì)力矩電機(jī)MΣMmbl

c).動(dòng)態(tài)頻帶驗(yàn)證:由系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)提出的過(guò)渡時(shí)間ts估算系統(tǒng)的開環(huán)帶寬注：以上三個(gè)條件，只要一項(xiàng)不滿足，均需要重新選擇電機(jī)。系統(tǒng)若還有其它負(fù)載，則以上公式需要重新進(jìn)行調(diào)整。4）舉例例1：有一轉(zhuǎn)臺(tái)，設(shè)計(jì)水平向傳動(dòng)，已知:解:

(1)單位換算

(2)初選電機(jī)

初選直流伺服電機(jī)為ZK-32C，參數(shù)如下：輸出參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速nR=2500r/min=261.8rad/s

額定功率PR=760w>589.2w輸入?yún)?shù)：電樞電流IR=8.2A;電樞電壓UR=110V;電壓Uf=220V電機(jī)參數(shù)：轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩=0.053

可得:電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr=/4=0.01325估算：

傳動(dòng)比傳動(dòng)裝置采用三級(jí)圓柱齒輪和一級(jí)渦輪蝸桿傳動(dòng)，總效率為:

因?yàn)殡姍C(jī)功率小，取傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jp=0.1Jr=0.001325

(3)驗(yàn)證溫升發(fā)熱驗(yàn)證：短時(shí)極限承受力驗(yàn)證:動(dòng)態(tài)頻帶驗(yàn)證:

例2小功率伺服系統(tǒng)，已知:解:

(1)單位換算

(2)初選電機(jī)

選f=400Hz兩相異步電機(jī)70sL01，其參數(shù)如下:輸出參數(shù)：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Mbl=1000gcm=0.098Nm

空載轉(zhuǎn)速n0=4800r/min=502.6rad/s

額定輸出功率PR=16w>9.54w輸入?yún)?shù)：頻率f=400Hz、額定控制電壓UC=115V

激磁電壓Uf=115v、激磁電流If=1.1A電機(jī)參數(shù)：電機(jī)時(shí)間常數(shù)Tm=25ms=0.025s可求得;傳動(dòng)比傳動(dòng)裝置采用四級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，總效率為:

取傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jp和測(cè)速發(fā)電機(jī)Jc折合到電機(jī)后，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

(3)驗(yàn)證溫升發(fā)熱驗(yàn)證：短時(shí)極限承受力驗(yàn)證:動(dòng)態(tài)頻帶驗(yàn)證:

4、單軸傳動(dòng)執(zhí)行電機(jī)選擇電機(jī)與負(fù)載直接對(duì)接（無(wú)減速器）--力矩電機(jī)力矩電機(jī)是一種具有軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)，其輸出不是以恒功率輸出動(dòng)力，而是以恒力矩輸出動(dòng)力。力矩電機(jī)包括：直流力矩電機(jī)、交流力矩電機(jī)。力矩電機(jī)的原理與他激直流電機(jī)和兩相異步電機(jī)相同。力矩電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過(guò)載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動(dòng)小等特點(diǎn)，可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少傳動(dòng)齒輪，提高系統(tǒng)運(yùn)行精度。在現(xiàn)代伺服控制裝置的控制下可以使力矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高的剛度，可以代替原來(lái)機(jī)械傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。由于采用力矩電機(jī)沒有傳動(dòng)間隙，沒有磨損，傳動(dòng)精度和效率高，目前開始在一些精密裝置上推廣使用。選擇步驟：初選檢驗(yàn)

1).利用最大跟蹤角速度試選電機(jī)

2)校驗(yàn)：(1).連續(xù)溫升

(2).過(guò)載能力

(3).系統(tǒng)帶寬舉例例3：探測(cè)器方位角跟蹤系統(tǒng)

例4小車在鋼軌上運(yùn)動(dòng)，需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，已知:

小車滿載重量：G=500N，車輪半徑：R=0.2m

軌跡滾動(dòng)摩擦系數(shù)：f=0.002要求：車速可逆，vm=1.2m/s，am=0.2m/s2

系統(tǒng)最大誤差：Δm≤0.1m零初始狀態(tài)，1(t)作用，ts

≤3s，選電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。解（1）轉(zhuǎn)換直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

（2）選電機(jī)160LY55直接連接，參數(shù)如下:

（3）校驗(yàn)檢驗(yàn)發(fā)熱溫升沒有提出最大加速度要求，只在誤差范圍內(nèi)考慮。動(dòng)態(tài)性能（帶寬）在不增大電機(jī)外徑的前提下，重新選電機(jī)。160LYX

歐姆龍伺服電機(jī)選型過(guò)程五、傳動(dòng)比的選擇和分配原則經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種典型情況:（1）系統(tǒng)經(jīng)常處于近似恒速變化，加速度很??；（2）系統(tǒng)劇烈變化，且有很大加速度；（3）系統(tǒng)同時(shí)滿足對(duì)一定的速度和加速度要求；（4）經(jīng)常處于連續(xù)周期性負(fù)載下工作；（5）除摩擦外，系統(tǒng)無(wú)其它載荷；(適用于儀表伺服系統(tǒng)，其主要克服摩擦，并使負(fù)載獲得需要的速度和加速度即可，因此速比選擇比較簡(jiǎn)單)傳動(dòng)比的確定(1).最大輸出角速度方式忽略慣性負(fù)載（2）很大加速度忽略摩擦負(fù)載（3）（4）按照折算均方根轉(zhuǎn)矩最小步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)具有較好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性，其步距和轉(zhuǎn)速不受控制電壓波動(dòng)、負(fù)載變化及其環(huán)境條件的影響，其可以實(shí)現(xiàn)高精度的開環(huán)定位控制；但步進(jìn)電機(jī)振動(dòng)較大，在要求振動(dòng)小的場(chǎng)合不適合。主要參數(shù)：步距角θs≤iθmin（負(fù)載軸要求的最小位移增量。）

精度：可用步距精度(單步運(yùn)行誤差)或積累誤差(一周內(nèi)角度誤差的最大值)，其積累誤差ΔθM≤iΔθL（

負(fù)載軸允許的角度誤差）

轉(zhuǎn)矩和頻率：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于折合到電機(jī)軸的負(fù)載靜阻轉(zhuǎn)矩，一般要求

Mq≥1/(0.3~0.5)Mlx由于頻率提高降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此要求啟動(dòng)頻率應(yīng)大于系統(tǒng)工作時(shí)的最高頻率?！?.5伺服檢測(cè)裝置的選擇

在伺服系統(tǒng)中，測(cè)量裝置的作用是產(chǎn)生一個(gè)與被檢測(cè)量等效的電信號(hào)(如直流電流、直流電壓等)，以控制系統(tǒng)工作。在信號(hào)的變化過(guò)程中，測(cè)量裝置會(huì)給伺服系統(tǒng)帶來(lái)誤差。測(cè)量裝置自身的精度或分辯率對(duì)整個(gè)伺服控制系統(tǒng)精度的關(guān)系很大。一、對(duì)測(cè)量裝置的主要要求：(1)精度高，死區(qū)小，其誤差比整個(gè)系統(tǒng)允許誤差小得多；(2)被測(cè)量與電輸出信號(hào)之間在給定工作范圍內(nèi)具有線性關(guān)系；(3)要求輸出信號(hào)中所含干擾成分要?。?4)輸出信號(hào)應(yīng)能在所要求的頻帶內(nèi)準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)被測(cè)量，盡量避免儲(chǔ)能元件造成的動(dòng)態(tài)滯后；(5)機(jī)電測(cè)量裝置自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，摩擦轉(zhuǎn)矩要??；(6)測(cè)量裝置輸出的功率應(yīng)足夠高，以便能夠不失真地傳遞信號(hào)和作進(jìn)一步的信號(hào)處理；

二、調(diào)速系統(tǒng)測(cè)量裝置的選擇調(diào)速系統(tǒng)需要測(cè)速反饋，測(cè)量輸出角速度Ω并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，反饋回去與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。要求測(cè)速元件低速輸出穩(wěn)定，紋波小，線性度好。模擬量測(cè)速元件，通常采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)數(shù)字式測(cè)速元件，采用光電式脈沖發(fā)生器(亦稱增量編碼器)

介紹直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，數(shù)字測(cè)速的原理和基本要求以及頻率/電壓(F/V)變換器。

1、模擬測(cè)速元件——直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的型式:永磁式、他勵(lì)式伺服系統(tǒng)對(duì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求

a.輸出電壓和轉(zhuǎn)速的特性線性度要好；

b.輸出特性的斜率要大；

c.溫度變化對(duì)輸出特性的影響要?。?/p>

d.輸出電壓的紋波要小；

e.輸出特性的對(duì)稱性要一致。

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差因素理想的測(cè)速發(fā)電機(jī)其輸出電壓Ug與其轉(zhuǎn)軸的角速度Ω成正比

Ug=KgΩ直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)Ug中，包含有紋波分量或無(wú)用信號(hào)Un(rip)(t)，稱為測(cè)速發(fā)電機(jī)的噪聲。它由以下的各種因素所引起：

換向紋波是構(gòu)成測(cè)速發(fā)電機(jī)噪聲的主要部分，它由測(cè)速發(fā)電機(jī)電刷和換向器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。在低速時(shí)影響尤為明顯。

電樞偏心它產(chǎn)生周期性的有害信號(hào)，其基波頻率等于測(cè)速發(fā)電機(jī)的角頻率。頻率相對(duì)比較低，對(duì)系統(tǒng)是有害的。與換向紋波相比，通常是較小的。

高頻噪聲對(duì)噪聲Un(rip)(t)影響的第三個(gè)因素是高頻噪聲或稱“白噪聲”。它主要的是電磁感應(yīng)引起的。因?yàn)樾盘?hào)頻率較高，可以濾除掉，對(duì)系統(tǒng)影響不大。

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋的速度伺服系統(tǒng)測(cè)量裝置的選擇

Kr代表速度給定電位器的轉(zhuǎn)換系數(shù)，系統(tǒng)傳遞系數(shù)K為

測(cè)速發(fā)電機(jī)的線性關(guān)系低速時(shí)電動(dòng)勢(shì)小，輸出有“死區(qū)”。根據(jù)輸出斜率KF和電刷接觸壓降ΔUd，可估算uf=f(Ω)特性的不靈敏區(qū)Ωdead=Δud/KF。選擇時(shí)，應(yīng)使不靈敏區(qū)Ωdead<Ωmin

選定以后，KF為已知值。可按穩(wěn)態(tài)要求求出需要的增益K值。一般K值比穩(wěn)態(tài)要求的要高一些。

K確定后，當(dāng)系統(tǒng)輸出達(dá)到最大速度Ωmax時(shí)，需要的最大輸入信號(hào)Ui·max為Ui·max=KFΩmax+Ωmax/K

系統(tǒng)可逆運(yùn)行時(shí)，給定電位器最大輸出電壓應(yīng)等于±Ui·max，則電位器的電源電壓Ug≥｜Ui·max｜。選擇給定電位器和測(cè)速發(fā)電機(jī)要注意負(fù)載能力，使負(fù)載引起的非線性效應(yīng)最小。

2、數(shù)字測(cè)速元件——光電脈沖測(cè)速機(jī)數(shù)字測(cè)速元件是由光電脈沖發(fā)生器及檢測(cè)裝置組成。它們具有低慣量、低噪聲、高分辯率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。脈沖發(fā)生器連接在被測(cè)軸上，隨著被測(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一系列的脈沖，檢測(cè)裝置對(duì)脈沖進(jìn)行比較，獲得被測(cè)軸的速度。有電磁式和光電式兩種。

原理（增量式光電編碼器）

基本要求

高分辯率

分辯率表征測(cè)量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化的敏感度，當(dāng)測(cè)量數(shù)值改變，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，則分辯率Q定義為

Q=n2-n1(r/min)Q值愈小，測(cè)量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化愈敏感，亦即其分辯率愈高。

高精度

精度表示偏離實(shí)際值的百分比，即當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速為n、誤差為Δn時(shí)的測(cè)速精度為

e%=(Δn/n)×100%影響測(cè)速精度的因素有：光電測(cè)速器的不同心度制造誤差和脈沖計(jì)數(shù)時(shí)±1個(gè)脈沖的誤差。短的檢測(cè)時(shí)間檢測(cè)時(shí)間，即兩次速度連續(xù)采樣的間隔時(shí)間T。T愈短，愈有利于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

三、數(shù)字測(cè)速方法

脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)速方法有三種：M法、T法、M/T法

1.M法測(cè)速在規(guī)定的時(shí)間間隔Tg內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)獲得被測(cè)速度值，這種方法稱為M法。設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為P，且在規(guī)定的時(shí)間Tg(秒)內(nèi)，測(cè)得的脈沖數(shù)為m1，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)：

nM=60m1/(PTg)(r/min)技術(shù)指標(biāo)：Q值與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，計(jì)數(shù)值m1變化1，在任何轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值增量均等。轉(zhuǎn)速很小時(shí)，Tg內(nèi)脈沖少，則測(cè)出的速度不準(zhǔn)確。欲提高分辯率，可提高P，或者增加Tg。

測(cè)量精度測(cè)量過(guò)程有±1個(gè)脈沖的檢測(cè)誤差，則相對(duì)誤差為1/m1。轉(zhuǎn)速增加，m1增大，相對(duì)誤差減小，M法適用高速測(cè)量。

檢測(cè)時(shí)間

T=Tg=60/(PQ)

在保持一定分辯率的情況下，縮短檢測(cè)時(shí)間唯一的辦法是改用P值大(轉(zhuǎn)盤刻線密度大或透光孔多)的光電脈沖發(fā)生器。

2.T法測(cè)速測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)速度的方法叫做T法測(cè)速。方法：用一已知頻率fc的時(shí)鐘脈沖向一計(jì)數(shù)器發(fā)送脈沖，此計(jì)數(shù)器由測(cè)速脈沖的兩個(gè)相鄰脈沖控制其起始和終止。若該計(jì)數(shù)器的讀數(shù)為m2，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為

nM=60fc/(Pm2)(r/min)

T法測(cè)速的技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速nM升高，Q值增大，轉(zhuǎn)速愈低，Q值愈小，亦即T法測(cè)速在低速時(shí)有較高的分辯率。

測(cè)速精度光電脈沖發(fā)生器制造誤差為ep%，導(dǎo)致測(cè)速的絕對(duì)誤差隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加。例如ep%=10%，當(dāng)nM=100r/min,ΔnM=10r/min；當(dāng)nM=1000r/min,ΔnM=100r/min。另外，時(shí)鐘脈沖m2計(jì)數(shù)時(shí)，總有一個(gè)脈沖的誤差，由此造成的相對(duì)誤差為1/m2。隨著轉(zhuǎn)速nM增加，m2計(jì)數(shù)值減小，此項(xiàng)誤差也隨之增大。T法在低速時(shí)有較高的精度和分辯率，適合于低速時(shí)測(cè)量。

檢測(cè)時(shí)間

T等于測(cè)速脈沖周期Ttach，即

T=Ttach=60/(nMP)

可見，隨著轉(zhuǎn)速的升高，檢測(cè)時(shí)間將減小。確定檢測(cè)時(shí)間的原則是：即要使T盡可能短，又要使計(jì)算機(jī)在電機(jī)最高速運(yùn)行時(shí)有足夠的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

時(shí)鐘脈沖fc的確定

fc愈高，分辨率愈高，測(cè)速精度愈高；但fc過(guò)高又使m2過(guò)大，使計(jì)數(shù)器字長(zhǎng)加大，影響運(yùn)算速度。確定方法：根據(jù)最低轉(zhuǎn)速nM·min和計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)設(shè)計(jì)出最大計(jì)數(shù)m2·max，有：

fc=nM·minPm2·max/603.M/T法測(cè)速同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和此時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來(lái)確定被測(cè)轉(zhuǎn)速。用規(guī)定時(shí)間間隔Tg以后的第一個(gè)測(cè)速脈沖去終止時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器示數(shù)m2來(lái)確定檢測(cè)時(shí)間T。

注意，上中的60fc/P項(xiàng)是常數(shù)，在檢測(cè)時(shí)間T內(nèi)，分別計(jì)取測(cè)速脈沖ftach和時(shí)鐘脈沖fc的脈沖個(gè)數(shù)m1和m2，即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速值。計(jì)取Tg時(shí)間內(nèi)的測(cè)速脈沖ftach的個(gè)數(shù)相當(dāng)于M法，而計(jì)取T時(shí)間內(nèi)參考時(shí)鐘脈沖fc的個(gè)數(shù)m2相當(dāng)于T法，所以該測(cè)速方法兼有M法和T法的優(yōu)點(diǎn)，在高速和低速段均可獲得較高分辯能力。性能指標(biāo)：分辯率由于Tg定時(shí)和m1計(jì)數(shù)同時(shí)開始，m1無(wú)誤差。由m2變化±1時(shí)，分辯率Q為

測(cè)速精度用eP(%)表示測(cè)速脈沖周期Ttach不均勻誤差，因該誤差不累積，計(jì)取m2時(shí)只在最后一個(gè)周期內(nèi)對(duì)m2產(chǎn)生影響，同時(shí)考慮m2可能產(chǎn)生±1的誤差，由此引起測(cè)速誤差etach(%)為參數(shù)選擇：時(shí)鐘脈沖頻率fc的選取測(cè)速規(guī)定時(shí)間Tg的選擇在性能指標(biāo)允許的條件下，盡可能選取小的Tg值。

數(shù)字測(cè)速方法評(píng)價(jià)

對(duì)分辯率而言T法低速時(shí)較高，隨著速度的增大，分辯率變壞；M法則相反，高速時(shí)較高，隨著速度降低，分辯率變差；M/T法的Q/nM是常數(shù)，與速度無(wú)關(guān)，因此它比前兩種方法都好。

從測(cè)速精度上看以M/T法為佳。

考慮檢測(cè)時(shí)間，在標(biāo)準(zhǔn)的M法中，T=Tg，與速度無(wú)關(guān)；在T法中，因?yàn)槿y(cè)速脈沖的間隔時(shí)間Ttach作為檢測(cè)時(shí)間，因而，隨著速度的增大而減小；M/T法檢測(cè)時(shí)間相對(duì)前兩種方法是較長(zhǎng)的，但是若稍微犧牲一點(diǎn)分辯率，選擇分辯率在最低轉(zhuǎn)速時(shí)仍使m1=5～6個(gè)脈沖，便可使檢測(cè)時(shí)間幾乎與M法相同(T≈Tg)。

另外，速度控制系統(tǒng)的響應(yīng)決不僅僅是由檢測(cè)時(shí)間確定，還與功率轉(zhuǎn)換電路、電動(dòng)機(jī)的特性以及負(fù)載情況有關(guān)。因此，檢測(cè)時(shí)間的選取，應(yīng)視具體系統(tǒng)的要求而定。但對(duì)快速響應(yīng)要求比較高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)時(shí)間的影響是不容忽視的。

光電脈沖測(cè)速檢測(cè)裝置的選擇

(1).允許忽略由采樣引起的相位移的條件是

ωtach·min≥10×帶寬(rad/s)式中ωtach·min消除采樣數(shù)據(jù)相位移所允許的測(cè)速器頻率。在已知系統(tǒng)階躍輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)時(shí)間ts情況下，系統(tǒng)開環(huán)截止頻率ωc(ωc≈(6-10)/ts)近似求得。若把ωc的值作為系統(tǒng)閉環(huán)的帶寬，則有

ωtach·min≥10ωc(2).光電測(cè)速器輸出信號(hào)的頻率為

ftach=Nn/60=NΩ/2π

（N圓盤刻線密度；n轉(zhuǎn)速）可得：

ωtach·min=πNnmin/30有：N≥300ωc/（πnmin）表示了帶寬ωc、每分鐘最低轉(zhuǎn)速nmin及圓盤密度N三者之間極重要的輔助關(guān)系，它是選擇光電測(cè)速器的基本依據(jù)。

四、隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)裝置的選擇位置控制系統(tǒng)測(cè)量裝置通常采用的有圓環(huán)形旋轉(zhuǎn)電位器、自整角機(jī)(同步機(jī))、旋轉(zhuǎn)變壓器(解算器)、碼盤、感應(yīng)同步器。采用電位器作角度測(cè)量和角度同步傳輸是常用的一種方法。選用電位器測(cè)量角度或傳輸角度，有滑動(dòng)接觸，容易造成磨損，而且可能出現(xiàn)溫差電動(dòng)勢(shì)，影響測(cè)量精度。要求較高的系統(tǒng)中，多采用非接觸式的角度測(cè)量和傳輸裝置——自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器。