动力驱动系统Word文件下载.docx

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设G4（s）环节有误差，可把它等效于无误差环节G4（s）和扰动输入信号RN（s）,不考虑其他环节的误差。

系统对于扰动输入的输出传递函数为：

　即：

闭环之后传动环节误差的低频分量和高频份量都会影响系统的输出精度。

（3）前向通道上闭环之前环节G1（s）的误差对输出精度的影响

图4.5闭环之前环节有误差时的简化方框图

设G1（s）环节有误差，可把它等效于无误差环节G1（s）和扰动输入信号RN（s）,不考虑其他环节的误差。

与

（1）比较可知，系统对于扰动输入的输出传递函数为：

　　对于一个具有良好工作性能的伺服驱动系统，它的传递函数应具有以下特性:

　　1）在频率特性的中低频段

，则

　　上式说明：

误差的低频分量相当于系统输入的一部分，它直接影响系统的输出精度。

　　2）在频率特性的高频段

误差的高频分量对系统的输出精度几乎没有影响。

（4）反馈通道上环节G3（s）的误差对输出精度的影响

图4.6反馈通道上的环节有误差时的简化方框图

设G3（s）环节有误差，可把它等效于无误差环节G3（s）和扰动输入信号RN（s）,不考虑其他环节的误差。

影响情况与G1（s）相同，即反馈通道上误差的低频分量直接影响系统的输出精度，高频分量对系统的输出精度几乎没有影响。

例4.1已知某电机驱动的直线位置伺服系统如图所示，试分析各个环节的误差对输出精度的影响。

例图4.1

　　解：

将上图简化为：

图4.7简化方框图

（1）信号变换电路：

位于闭环之前的输入通道，误差的低频分量会影响输出精度，高频分量对输出精度几乎没有影响。

因此要使该电路的静态精度高，可以允许存在一定的高频噪声。

（2）齿轮减速器：

位于前向通道闭环之内，误差的低频分量不影响输出精度，高频分量对输出精度有影响。

因此允许减速器有一定的传动间隙。

　　（3）丝杠螺母机构：

位于闭环之后的输出通道，误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度。

因此丝杠螺母机构必须有较高的精度，才能保证输出精度。

　　（4）传感器及信号处理电路：

位于反馈通道闭环之内，误差的低频分量对输出精度和系统的稳定性都有影响，高频分量不影响输出精度。

因此传感器及信号处理电路的静态精度要高，可以允许存在一定的高频噪声。

思考题1：

试分析图示传动系统中，齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响？

分析：

齿轮减速器位于电机之后，前向通道的闭环之外，齿轮减速器的传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除，都将影响工作台的输出精度。

思考题2：

如图所示的位置控制系统，试分析齿轮的传动误差对工作台输出精度的影响。

图示位置控制系统属于开环控制系统，没有检测装置，不对位置进行检测和反馈，所以齿轮减速器的传动误差（误差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量）将直接影响工作台的输出精度。

2．稳定性

稳定性是系统正常工作的首要条件。

当系统受到外界干扰动（负载的变化、电源电压和频率的波动、环境变化引起的元件参数变化等）作用后，输出偏离平衡状态，当扰动取消后，系统逐步恢复到平衡状态，则系统是稳定的。

稳定性与振动，热效应和环境因素有关。

要提高抗震性就必须提高执行装置的固有频率（>

50～100HZ），并需要提高系统的阻尼能力（）。

传动机构、传感器及信号处理电路、驱动元件的性能都会影响系统的稳定性。

;

K=kekT/i

f——粘性阻尼系数N/m2s;

K——系统的开环放大倍数,ke——执行装置之前的系统各环节的放大倍数;

kT——执行装置的力矩放大倍数.J——所有传动件的转动惯量折算到输出轴上的值；

i——执行装置的总转速自比。

。

稳定性取决于阻尼比和放大倍数K;

增大有利于系统的稳定性；

放大倍数K太大不利于系统的稳定性（虽然可提高稳态精度）；

所以选择较大的传动比i，有利于系统的稳定性，但会造成系统的结构不紧凑，固有频率的降低，传动误差增大。

对于开环系统，不存在稳定性问题。

3．快速性

　　系统的快速性取决于系统的频率特性和驱动系统的加速度。

提高系统的快速性的措施有：

✓提高系统的带宽，减小阻尼，提高伺服元件的加速度

✓增加传动系统的刚度，减少折算惯量，减少摩擦力

✓提高驱动元件的驱动力

P89图4.8位置控制系统为二阶系统

当=1时为临界阻尼状态，输出：

；

误差为：

当

=1，无超调量临界控制状态时的偏差与定位时间

4．可靠性

可靠性、抗干扰性和运行安全性是确定机电一体化系统使用价值和使用功效的主要指标。

机电一体化系统是可维修系统，可靠性用持续可用性来表示。

T为工作时间；

TA为停机时间

可以通过提高系统元件本身的可靠性，各元件之间的合理布置，对系统增加故障检测，过载保护等措施来提高。

二、动力驱动元件

　　动力驱元件：

交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机和电液、电气、伺服阀等。

特点：

可以输出一定的运动和力，但工作特性差异很大，应用范围也不相同。

对驱动元件的要求：

（1）功率密度大Pw=P/W;

P为输出功率，W为重量。

（2）快速性好，即加减速的扭矩大，频率特性好。

　　（3）位置控制精度高，调速范围宽（速比1∶10000以上），低速平稳。

　　（4）振动小，噪声小。

　　（5）可靠性高，寿命长。

　　（6）效率高，节约能源。

（一）步进电机

　　步进电机是一种将电脉冲转换成机械位移的变换器，分为转动式和直线式。

步进电机由于输出功率小，又称为伺服式步进电机，快速步进电机；

输出转矩大于10N.m的称为功率步进电机。

1.步进电机种类：

1）可变磁阻式（VR）步进电机（反应式步进电机）：

转子无绕组，定子有绕组，由定子绕组通电产生反应力矩作用产生步进。

结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小（0.75～9）；

应用于工业机器人，数控机床等。

2）永磁式（PM）步进电机:

转子为永磁铁，转子转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸引或排斥来实现。

控制功率小、效率高、结构简单、步距角大（1.8～18）

3）混合式（HB）步进电机（永磁式反应式步进电机）:

步距角小，控制功率小，结构复杂，成本高。

2.通电方式：

步进电机通电方式不同，产生的步距角也不同，以三相为例。

1）三相单三拍通电方式：

（反应式步进电机）很少用，高速时易失步。

按A－B－C－A－B－C的顺序通电，转子按逆时针方向转动。

按A－C－B－A－C－B的顺序通电，电机按顺时针反方向转动。

其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序，角位移量则取决于输入脉冲的数目。

“三相”是指三相步进电动机，“单”是指每次只有一相控制绕组通电。

控制绕组每改变一次通电方式称为“一拍”，“三拍”是指经过三次改变通电方式为一个循环。

每一拍转子转过的角度为步距角，图示三相单三拍运行时=30°

2）三相双三拍通电方式：

运转平稳、输出转矩大，发热也大。

当控制绕组的通电方式为AB－BC－CA－AB或AB－CA－BC－AB时，即每拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环。

3）三相六拍通电方式：

运转平稳、转矩也比较大，步距角减小，精度也得到提高，应用多。

当控制绕组的通电方式为A－AB－B－BC－C－CA－A或A－AC－C－CB－B－BA－A即一相通电和两相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次改变通电状态时。

4）其他：

四相、五相、六相、八相单四拍、双四拍、四相八拍、五相十拍等

相数越多，结构越复杂，转矩越大，体积大，控制元件多，成本高。

四相八拍的通电顺序为:

AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB-AB-…

五相十拍的通电顺序为:

ABC-ABCD-BCD-BCDE-CDE-CDEA-DEA-DEAB-EAB-EABC-ABC…

3.主要性能指标：

相数：

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

拍数：

每通电一次为一拍,常用P表示。

步距角：

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。

（Z为转子的齿数；

m为相数；

P为拍数）。

例：

P=6,z=75,则=1.8；

P=10,z=24,则=1.5

步距角误差：

=实际步距角-理论步距角。

一般为10左右。

最高启动频率fq：

空载时电机在不失步条件下可施加的最高频率，反映快速性能。

最高运行频率fmax：

电机在一定负载条件下不失步运行的的最高转速频率。

矩频特性：

电机在某种测试条件下测得的运行中输出力矩与频率关系的曲线称为矩频特性，见P94图4.13；

是电机选择的根本依据。

失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

失调角：

转子轴线偏移定子轴线的角度，电机运转必存在失调角。

静转矩：

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

转角和转速公式：

　　转角:

=N,N为脉冲数

　　转速:

（r/min）　　f－脉冲频率（Hz）

由转角和转速公式可知，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需转角的转速和转动方向。

　　步进电机的定位特性：

转子转过一个步距角的过程是一个振荡过程，与系统的阻尼有关,步进电机的转子上装有阻尼器。

图4.9步进电机的定位特性

4.步进电机的驱动电源

与普通电机不同，在使用步进电机时，仅仅给予电压，电机是不会动作的，必须通过脉冲产生器提供脉冲（脉冲数），以及使用驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转使用。

因此步进电机的性能实际上取决于其电源的好坏。

可以通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

5．直线步进电机

直接传动的特种电机。

将输入的电脉冲信号转换成相应的直线位移，不需要闭环控制，提供一定精度、可靠的位置控制。

工作原理：

变阻式和混合式。

优点：

结构简单；

应用范围广，适应性强；

反应速度快，灵敏度高，随动性好；

额定值高，冷却条件好；

精密定位和自锁功能；

工作可靠，寿命长。

例题：

如图所示步进电机驱动滚珠丝杠的高速定位系统，已知工作台的质量为m=2000N，工作台与导轨之间的摩擦系数μ=0.1;

负载力为

，工作台往复定位精度为0.05mm;

工作台移动速度有两种：

v1=25mm/0.2s及v2=500mm/1.5s。

滚珠丝杠导程ts=12mm，直径d=36mm,传动效率=80%，试选定驱动该系统的步进电机。

解：

（1）确定步进电机步距角：

脉冲当量为=0.05mm;

ns为步进电机的每转脉冲数

ts=ins

设i=1,则ns=ts/i=12/1×

0.05=240脉冲/转

=360/240=1.5

（2）计算负载力

负载力由外负载力、惯性负载力和摩擦力三部分构成

外负载力

惯性负载力

=0

摩擦力

（3）电机上的负载力矩为

（二）直流电机

　　直流电动机在直流电压的控制下可以输出一定的转速和转矩，可以直接或通过传动机构驱动负载。

1．直流电机的主要特点

（1）具有很好的调速特性，调速范围宽。

（2）较大的起动转矩、功率大、响应速度快。

　　（3）可通过闭环实现转速、力矩和位置伺服控制。

（4）永磁式直流电机可以工作在堵转状态（转速为零）。

　　（5）断电不能自锁，需要配置专用电磁制动器才能实现断电后的定位。

　　（6）输出力矩与控制电流成正比，输出转速要受到负载变化的影响。

　　（7）常采用线性驱动和脉宽调制（PWM）驱动两种驱动方式，线性驱动适用于小功率电机的驱动，大功率电机宜采用PWM驱动。

　　（8）常用于机器人，数控机床等高性能伺服控制系统。

2.直流电动机分类：

电磁式：

磁场由激磁绕组产生；

应用广，大功率（>

100W）

永磁式：

又称直流力矩电机，可直接驱动负载。

磁场由永磁体产生，出力大，快速响应；

精度高；

线性度好；

运行可靠、维护简单、振动小、结构紧凑。

3．直流电动工作原理图：

图4.10直流电机原理图

转矩特性：

转矩-转速特性：

4．电机的功率计算：

以峰值力矩TLP不断驱动负载，电机功率Pm为：

5．驱动电路：

（1）线性直流伺服放大器：

互补式、线性桥式;

P101

（2）脉宽调制放大器PWM:

P101～102

6.直流电机的调速：

由电机的速度公式

可知，改变电枢电阻、改变电枢电压和改变励磁的磁通量都能改变电机的输出转速。

同时也看到负载力矩的变化同样也会引起转速变化。

（1）电枢串电阻调速（Ra）:

实现无级调速,简单，但受负载影响大，空载无调速作用。

（2）改变电枢电压调速（Uc）:

调速广，低速运行出现较多的谐波成分。

（3）改变励磁的恒功率调速（e）:

转速升高，转矩下降，为恒功率调速。

（4）PWM直流调速：

控制方波的占空比来改变输出平均电压，调速性能好。

（5）双闭环直流调速：

反馈电枢电流和转速，电流环用于控制电流，转速环用于控制转速。

情态和动态性能好，抗干扰能力强。

（6）数字式直流调速：

调速性能高，工作可靠、体积小。

如图所示电机驱动系统，已知齿轮减速比为i=2，滚珠丝杠螺距ts=4mm，直径为d=16mm,驱动负载质量为m=100Kg，工作台最大线速度为v=0.05m/s，最大加速度为a＝5m/s

工作台与导轨之间的摩擦系数μ=0.1，试选择直流电机。

　解：

（1）计算负载力

（2）电机上的负载力矩为

（3）负载折算到电机上的惯量

（4）电机的转速

（5）电机的功率

4．步进电机和直流电机主要特点比较：

（1）步进电机通过改变输入脉冲的数量、频率和顺序就可以控制电机的输出转角、转速和转动方向，可以实现开环位置控制；

直流电机需要通过闭环实现转速、位置伺服控制。

（2）步进电机具有定位自锁能力；

直流电机不能自锁，需要配置专用电磁制动器才能实现断电后的定位。

　　（3）步进电机的转角，转速不受电源电压波动和负载变化的影响；

电压的变化直接影响直流电机的输出转角和转速。

　　（4）步进电机的启动频率和最高运行效率相差很大，启动速度大小与负载惯量有关；

直流电机启动力矩大，永磁式直流电机可以工作在堵转状态。

　　（5）步进电机常用于自动化仪表和小功率位置伺服系统；

直流电机常用于机器人、数控机床等高性能伺服控制系统。

（三）交流电动机

常用的交流电动机有三相异步电动机和单相异步电动机。

三相异步电动机：

工业中应用最广泛。

单相异步电动机：

家用电器、医疗器械中应用。

　　1.交流电动机的主要类型

笼型异步电动机：

起动电流大，常采用降压起动，用于风机、水泵等。

绕线式异步电动机：

常用于不需调速的连续运行的大功率设备，如空调、气泵、起重机械等。

各型号交流电动机的性能及应用范围，见P106表4.1。

2．交流伺服电机

分类：

永磁式交流同步伺服电机和笼型交流异步伺服电机。

永磁式交流同步伺服电机：

在电机轴上装有检测转速和位置的反馈装置。

电源由PWM变频器供给，实现无级变频调速，旋转速度与输入的脉冲信号频率成正比（类似步进电机），转速不受负载影响，调速范围极大（100000：

1），转矩和过载能力保持不变。

交流伺服驱动原理：

SPWM——正弦脉宽调制变频调速。

（等幅不等宽）

笼型交流异步伺服电机：

轴端装有编码器，可配选制动器，由矢量控制和PWM变频技术实现调速，调速范围广、转矩脉动小、响应速度快和运行平稳等特点。

3．电机容量的计算

（1）连续恒负载运行时电机容量的计算

P=Tn/9550T为折算转矩；

n为额定转速。

（2）连续周期性变化负载的电机功率计算：

P108公式（4.42）

（3）较短工作制的电动机功率计算：

P109公式（4.43）和（4.44）

（4）断续周期工作制电动机的功率计算：

P109公式（4.45）

4．交流电机的调速：

见P111表4.2

　速度公式：

p－磁极对数;

　　f－电源频率（Hz）;

　s－转差率

（1）变极调速：

改变绕组接线方式（串联、并联）改变磁极对数，2～4极。

（2）电磁转差离合器调速：

n-电机转速，n0-旋转磁场的转速

（3）转子串电阻调速：

（4）串级调速：

附加电动势

（5）变频调速：

改变电源频率，无级调速。

5．交流伺服电机的主要特点

（1）调速范围宽。

（2）输出功率大，比步进电机和直流电机具有更大的输出功率。

　　（3）通过闭环实现速度控制或位置控制。

（4）同步电机具有与步进电机相近的特性，可工作于步进方式，转速不受负载变化的影响，稳定性高，在整个调速范围内电机的转矩和过载能力保持不变。

　　（5）异步伺服电机的工作原理与普通的笼型异步电机基本相同，成本较低。

　　（6）同步电机适用于高性能伺服系统，异步伺服电机适用于机床的进给驱动及其它功率较大的伺服系统。

（四）液压与气压伺服元件

　　液压伺服元件和气压伺服元件的工作原理相类似。

有比例阀和伺服阀两种控制阀。

可与液压（或气压）缸或者马达组成驱动系统。

1．液压伺服元件

开关控制阀：

具有开关或切换油路的功能，电磁换向阀。

电液伺服阀：

将微弱的电信号输入转换成大功率的液压量输出。

电液比例阀：

将输入的电气信号转换成机械输出信号以对流量、压力或方向进行成比例控制。

液压伺服元件的主要特点

（1）功率密度大，输出功率大，带负载能力强。

（2）伺服阀与油缸、马达组成电液伺服系统，可实现高性能位置、速度或力控制。

　　（3）响应速度快，低速平稳性好。

　　（4）具有自密封性，可适用于水下，化工等特殊环境。

（5）需要专门的液压动力源，体积较大，存在环境污染问题。

　　（6）适用于对输出力要求比较大和一些特殊工作环境。

2.气压控制阀

通过电磁铁把电控信号转换成控制阀的阀芯位移，实现流量、方向和压力的控制。

气压控制阀分开关控制阀和比例控制阀。

气压伺服元件的主要特点

（1）工作介质来源于空气、方便且无污染。

（2）反应速度快。

　　（3）负载能力较差。

　　（4）无污染、适用于各种生产线，特别是食品或药品的生产线。

三、常用动力驱动元件的特性及选择方法：

1．常用动力驱动元件：

步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服元件、气压伺服元件等。

2．典型伺服驱动元件构成的伺服系统的输出功率和响应频率的大致关系：

见P114,图4.28

3.各种伺服驱动元件的特性。

见P114表4.3。

四、定位机构

（一）概述

1．定位结构的作用

驱动物体到达并按规定的精度停止在预定的位置。

2．定位运动机构的组成P115图4.29

驱动元件、传动控制系统、被定位件（负载）。

传动控制系统由传动件、控制电机、传感器、微计算机、控制电路等构成。

被定位件分为集中质量系和分布质量系。

3.定位运动机构的性能评价

定位精度：

0.01m～100m

定位时间：

5～100ms

4.精密定位的动力学问题

开环控制系统：

定位理论比较系统、完整和成熟，精度由元器件精度保证。

闭环控制系统：

对元器件精度要求低，摩擦和间隙会影响系统的稳定性。

要求各环节刚度大、增益大。

高速高精度定位系统：

要求提高系统的固有振动频率和刚度。

（二）直接驱动定位

1.步进电机驱动：

菊花瓣打印机的选字系统。

P118,图4.33

开环控制；

120个活字圆周分布，步进电机每转120步。

正反转控制（1～60步），精度0.1mm。

2．伺服电机驱动：

菊花瓣打印机的选字系统P119,图4.34

闭环控制：

速度检测、位置检测，缩短定位时间、提高精度。

（三）直线运动直接驱动定位

1．直线电机直接驱动：

打印机头架送进系统。

P120,图4.35

选字由伺服电机驱动，打印机头架由直线电机驱动。

2．动圈式直接驱动：

（1）绘图仪笔驱动。

P120,图4.36,P121,图4.37

（2）磁头驱动和定位系统

音圈电机是一种直线运动的电机，由永磁铁和音圈组成。

音圈电机工作原理：

当音圈内通以电流时，在磁力作用下音圈作直线运动，改变电流的大小和方向，音圈运动的幅度和方向也随着改变。

动圈式笔架，通过控制音圈电流来控制力的大小和方向。

音圈电机在磁盘驱动器存取中用于查找目标磁道，并保持在目标磁道上。

（四）刚性传动定位系统

1．丝杠螺母传动机构

例：

磁头定位系统P121,图4.38

电机转过30，磁头前进一个磁道，为使定位过程简单，丝杠螺旋线加工成台阶状，每45为一段，对应一个磁道，即使电机回转误差较大也不会偏离磁道。

2．齿条齿轮机构

打印机小车定位系统P123,图4.41

3.端面槽形凸轮