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伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計 概述伺服系統(tǒng)典型負載分析和計算 伺服系統(tǒng)控制方案選擇 伺服電機選擇伺服檢測裝置的選擇 放大裝置選擇 概述 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計的內(nèi)容對控制對象運動與動力學分析 負載分析 執(zhí)行電動機及傳動裝置的確定 測量元件的選擇 放大裝置的選擇與設計計算 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計目的確定系統(tǒng)的基本不變部分的結構 穩(wěn)態(tài)設計的結果確定了系統(tǒng)的控制能力 動態(tài)設計計算則是在此基礎上使系統(tǒng)達到要求的動態(tài)性能 包括滿足動態(tài)誤差 穩(wěn)定性及快速性要求 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計特點穩(wěn)態(tài)設計運用基礎知識面更寬 需要有一定的實踐經(jīng)驗 工程定量計算的計量單位我國計量管理規(guī)定一律采用國際單位制 SI 國內(nèi)有些產(chǎn)品銘牌數(shù)據(jù)仍沿用工程單位制 在計算時應統(tǒng)一換算成國際單位制 伺服系統(tǒng)典型負載分析和計算 明確了系統(tǒng)技術指標后 研究被控對象的運動學 動力學特性 根據(jù)對象的具體特點和受載情況選擇執(zhí)行元件 掌握了一般性研究方法后 需對負載作定量分析 根據(jù)對象的實際運動規(guī)律來建立負載和干擾模型 一 系統(tǒng)典型負載分析 隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一般來說都是由執(zhí)行電動機 或液壓 氣動馬達 帶動被控對象做機械運動 其控制特性與被控對象相聯(lián)系的動力學特性關系極大 被控對象能否達到預期的運動狀況 完全取決于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能 系統(tǒng)常見的負載類型有 摩擦負載 慣性負載 阻尼負載 重力負載 彈性負載以及流體動力負載等 前兩項幾乎任一系統(tǒng)均有 1 摩擦負載 在任何機械傳動系統(tǒng)中 每一對相對運動物體的接觸表面之間都存在著摩擦 普通的現(xiàn)象 情況卻十分復雜 在工程設計中 多采取實測的辦法 或采用手冊提供的數(shù)據(jù)做近似地估算 從接觸表面的相對運動形式看 有滑動摩擦與滾動摩擦 在條件相同的情況下 滾動摩擦力比滑動摩擦力小 以接觸表面之間的潤滑條件來看 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 滑動速度 接觸時間等均有關 輸出軸上承受的摩擦力矩是由系統(tǒng)整個機械傳動各部分的摩擦作用綜合的結果 以旋轉運動為例 靜摩擦力矩最大 隨著輸出角速度 的增加 0 1 時 摩擦力矩又略有增加或保持不變 摩擦負載對系統(tǒng)的工作品質(zhì)影響很大 對隨動系統(tǒng)而言 摩擦負載影響系統(tǒng)的控制精度 當要求低速跟蹤時 由于摩擦負載在低速區(qū)有dMc d 0 系統(tǒng)將出現(xiàn)的低速爬行現(xiàn)象 2 慣性負載 物體作變速運動時便有慣性負載產(chǎn)生 當執(zhí)行元件帶動被控對象沿直線作變速運動時 被控對象存在有慣性力FL FL m dv dt 式中 m為被控對象質(zhì)量 v為運動速度 負號表示慣性力FL的方向始終阻止速度變化 當系統(tǒng)所帶的被控對象作旋轉運動時 被控對象形成的慣性負載轉矩為 ML JL d dt 式中 ML為慣性負載轉矩 JL為被控對象繞其轉軸的轉動慣量 為其角速度 JL m為質(zhì)點質(zhì)量 r為繞軸半徑 具有簡單幾何形狀的質(zhì)量均勻分布的物體轉動慣量表達式列入34頁表3 2中 圖形較為復雜的對象可用簡單形狀組合而成 流體中作變速運動時 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 阻尼負載當被控對象在流體中運動時 除了形成一定的附加質(zhì)量慣量 或附加質(zhì)量轉動慣量 以外 還會產(chǎn)生一個由于流體摩擦 興波等原因而造成的阻力 或阻力矩 這個力 或力矩 與物體運動的速度 速度的平方甚至更高次方成比例 在相對運動速度不高情況下 可以認為阻尼力 或力矩 與運動速度 或角速度 成比例 Fv b v M 2N Fv為阻尼力 b為阻尼系數(shù) v為對象在流體中的運動速度 M 為阻尼力矩 2N為阻尼力矩系數(shù) 或阻尼系數(shù) 在分析船在水中運動或者類似舵 鰭等伸出船外的裝置在水中轉動時 會用到阻尼力 力矩 和附加水質(zhì)量 或轉動慣量 有時在減速箱中為保持良好潤滑而注入一些潤滑油也會產(chǎn)生阻尼力 力矩 綜合以上情況 可以用一個通式來表示負載力矩 即F Fcsig v bv m dv dt M Mcsig 2N J d dt 式中的b和2N根據(jù)運動存在的介質(zhì) 可以是某個常數(shù) 在流體中 也可以是零 在空氣中 4 其他工作阻力負載 除了上述三項由對象自身運動而產(chǎn)生的負載力 力矩 之外 有些運動對象還會受到正常工作要克服的阻力 力矩 例如 切削機床的切削力 力矩 升降機在上升時要克服重力 船舶減搖鰭在轉動時要克服由于重心與轉軸不一致導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 雷達天線在運動時要克服風載阻力矩 二 典型系統(tǒng)的綜合負載分析和計算 實際伺服系統(tǒng)控制被控對象運動過程中 都要克服多種負載的影響 因而需要根據(jù)各自的運動規(guī)律做具體分析和綜合 我們在建立系統(tǒng)動力學方程以及在選擇執(zhí)行元件功率時 需要把對象所受到的負載換算到執(zhí)行元件輸出軸上 1 負載的傳遞和轉化 一般高速運動的執(zhí)行元件帶動相對低速運動的被控對象都需用減速裝置 三級齒輪減速器負載的傳遞與轉化 電機經(jīng)過三級齒輪減速而帶動負載 Z11 Z12 代表各級齒輪齒數(shù) 電機至負載的總速比為i 2 負載的綜合特性例1 龍門刨床工作臺控制系統(tǒng)負載分析與綜合設R為與工作臺齒條相嚙合的齒輪節(jié) 圓半徑i為電機與該齒輪之間傳動鏈的總速比 為總效率 例2 火炮方位隨動系統(tǒng)分析與綜合 火炮跟蹤等速直線飛行目標的運動規(guī)律如下 當系統(tǒng)跟蹤目標時 角速度dA dt始終為正值 故摩擦力矩Mc可視為常值 設運動部分轉動慣量不變 慣性力矩Mj應與的規(guī)律一致 若在跟蹤過程中對目標進行射擊 則會有沖擊力矩Ms作用在執(zhí)行軸上 系統(tǒng)承受的總的負載力矩t1時刻M 出現(xiàn)的脈沖為迭加了沖擊力矩Ms所致 例3減搖鰭轉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 鰭在與平行迎面來流之間的攻角為 由于鰭上方的水流受擠而流線變密 導致流速增加 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線 總的合力作用點為P 合力為R R可以分解為升力Y和阻力X 升力Y對船重心形成扶正力矩 合力對軸線O形成一力矩M01 此時如果鰭首向上轉動 則M01將阻礙鰭轉動 當鰭角做一般性的運動時 流體動力形成的力矩為式中M01為定常流體動力力矩 因為鰭軸不在首部 故呈非平衡狀態(tài) M01 Cm1 Cm1是用實驗方法獲得的與攻角有關系數(shù) M02為非定常力矩 它與攻角角速度和攻角有關 計算Cm2比較復雜 需根據(jù)一定的圖譜公式 然后再假定鰭角做某種規(guī)律的運動 一般假定 sin t 這樣才能知道與的對應關系得Cm2 一般 等于1 3 2倍的船的諧搖頻率 M03是一項與加速度有關的慣性力矩 它是由鰭自身的轉動慣量和附加水質(zhì)量慣量引起的慣性力矩 式中的J是鰭 鰭軸和做搖擺運動的連動部分總的轉動慣量 J是附加水質(zhì)量轉動慣量 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要大 通過實船實驗表明 Mc約占總力矩的10 20 M 01是由重力不通過軸線和浮力不通過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 隨機干擾負載模型 控制系統(tǒng)常常遇到非確定的隨機干擾負載 需要根據(jù)實際情況來建立隨機干擾負載模型 干擾負載的譜密度函數(shù) 例4雷達天線隨動系統(tǒng)的風載模型 考慮隨機信息 例如風速 陀螺漂移等 的值是躍變的 每一區(qū)段值與以前區(qū)段值無關 而且躍變時刻t1 t2 t3 是隨機的 先求這類信號的相關函數(shù) 相關函數(shù)是相距為 時刻的兩個函數(shù)值的乘積的平均值 當x t 和x t 處在同一區(qū)段時x t x t 而當x t 和x t 處于不同區(qū)段時 有x t x t 設t和t 在同一區(qū)段的概率為Q 則相關函數(shù)可表示為R 為信號在 時間間隔內(nèi)不變的概率 設 是信號在單位時間內(nèi)的平均變化次數(shù) 在 t足夠小時 在 t內(nèi)變化的概率就是 t 而不變化的概率是1 t 將 0 分為成r個 t 第一個 t內(nèi)不變的概率為 1 t 第一個 t和第二個 t均不變的概率為 1 t 2 在r個 t內(nèi)均為不變的概率是 1 t r 以 t代替r 并令 t 0 得 信號在 0 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)是均方值和單位時間內(nèi)變化次數(shù) 這兩個參數(shù)一般可以根據(jù)物理過程來近似得到 就雷達天線的風載而言 可以先估算風載力矩均方值 再根據(jù)當?shù)仫L速在單位時間內(nèi)變化的次數(shù)確定 有了這兩個參數(shù) 就可以確定風載譜密度了 舉例說明 設有直徑為6m的天線 已知平均風速V0 72km h 陣風最大風速Vm 96km h 0 11 1 s 天線上的風載力矩為 例5斜浪航行時的橫搖干擾模型 假設 波浪是一維平穩(wěn)隨機過程 也就是其譜密度是單參數(shù)譜船舶傍浪航行時波浪對船舶的橫搖干擾模型為K 是考慮船的寬度和吃水深度對波浪來說并不是一個點而引起的修正系數(shù) 為波傾角 波傾角是波動方程 X t 對坐標X的導數(shù) 相當于船所在波面位置處波面和水平面的夾角 S 為海浪波幅譜密度 航向與浪向的夾角 參考方向 相對為0 斜浪航行時 航速會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 斜浪航行時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 逆斜浪航行的情況 波峰相對于船的傳播速度為 絕對坐標系里的海浪波幅譜密度是S 相對坐標系里波幅譜密度是S e 波能譜從S 到S e 總能量并沒有變化 對應d 和d e區(qū)間的能量相等 即S d S e d e因為有 考慮斜浪航行時波傾角的變化 斜浪航行時 相對波長已不是 而是 此時對應橫剖面的波傾角 u sin 式中 為傍浪時的波傾角 當考慮以上所討論的兩種因素后 船在斜浪航行時的橫搖干擾力矩模型是斜浪時波傾角幅度變化僅僅在船的長度相對于波長是很小的情況下才有意義 當船長與波長相接近時 沿船長不同的橫剖面上波傾角不僅在大小而且在符號上也發(fā)生了變化 伺服系統(tǒng)控制方案選擇 一 控制方案的選擇 伺服系統(tǒng)的都是為某一具體的控制對象服務的 因而必須按照對象的特點和需要 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)的性能指標要求 元件的資源和經(jīng)濟性 工作的可靠性和使用壽命 可操作性能和可維護性能 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 前饋控制和補償控制 亦稱復合控制等 連續(xù)控制和離散控制混合系統(tǒng)是一個重要技術發(fā)展方向 方案的比較1 直流 交流與混合控制方案比較 2 單回路 雙回路和多路比較單回路容易實現(xiàn) 結構簡單 但性能上有缺陷 對系統(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 系統(tǒng)輸出對干擾作用N s 和N2 s 的傳遞函數(shù)分別為 對于二階系統(tǒng) 在一定頻率范圍內(nèi) 1 s 1 系統(tǒng)對于擾動N s 比沒有反饋時要差 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)的指標要求較高 系統(tǒng)的增益應當較大 則系統(tǒng)通過串聯(lián)校正很可能難以實現(xiàn) 必須改變系統(tǒng)結構 單回路控制系統(tǒng)只適用于被控對象比較簡單 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構 雙回路控制系統(tǒng)對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 來滿足對R s 和N s 的指標要求 由于有了局部反饋 可以充分抑制N s 的干擾作用 而且當部件G2 s 的參數(shù)變化很大時 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及參數(shù)變化較大的環(huán)節(jié) 同時又不要使局部閉環(huán)的階次過高 一般不高于三階 3 復合控制反饋控制是按照被控參數(shù)的偏差進行控制的 只有當被控參數(shù)發(fā)生變化時 才能形成偏差 從而才有控制作用 復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)補償 引入前饋控制的目的之一是補償系統(tǒng)在跟蹤過程中產(chǎn)生的速度誤差 加速度誤差等 補償控制是對外界干擾進行補償 當外界干擾可量測時 通過補償網(wǎng)絡 引入補償信號可以抵消干擾作用對輸出的影響 對干擾實現(xiàn)了完全的不變性 二 選擇方案的注意事項 選擇方案最基本的依據(jù)就是用戶對系統(tǒng)的主要技術要求 針對不同的使用環(huán)境 選擇方案的出發(fā)點就不同 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) 長期運行的經(jīng)濟性 系統(tǒng)運行速度很高 且經(jīng)常處于加速度狀態(tài) 對精度的要求高時 可以設計二階無差度系統(tǒng)或者采用復合控制系統(tǒng) 負載調(diào)速范圍很寬時 一般選無槽電動機 高性能系統(tǒng)中 一般選大慣量寬調(diào)速伺服電動機 采用直接耦合傳動方案 考慮電磁兼容性要求 選擇方案應根據(jù)系統(tǒng)的主要要求 初步擬定方案 進行可行性分析 試驗 進一步補充和完善 有時需要構思幾個方案進行對比 優(yōu)化 方案確定后便可按照設計步驟逐項進行 并在試驗中作局部修改 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 可采用電動機 液壓泵和液壓馬達 氣動設備 電磁離合器等 對執(zhí)行電機的要求如下 1 滿足負載運動的要求 提供足夠的力矩和功率 2 正反轉 起停 保證系統(tǒng)的快速運動 3 調(diào)速范圍 4 功率消耗 尺寸要求確定電機類型 額定輸入輸出參數(shù)額定電壓UR 額定電流IR 額定功率PR 額定轉速nR控制方式電機到負載之間傳動裝置的類型 速比 傳動級數(shù)和速比分配 估算傳動裝置的轉動慣量和傳動效率 一 伺服電動機的類型 直流伺服電動機 低速大扭矩寬調(diào)速電機 兩相異步電機 三相異步電機 同步電機 滑差電機 力矩電機和步進電機 1 直流伺服電動機 直流伺服電動機按勵磁方式分 他激 串激 并激 控制方式分電樞控制和磁場控制兩大類 電樞控制易獲得較平直的機械特性 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 具有弱磁升速特性 在幾十瓦以內(nèi) 且負載力矩MR較大 負載特性處于機械特性匯交點的右邊 可以實現(xiàn)弱磁降速 激磁電流IR近似與轉速成正比 可用于可逆連續(xù)調(diào)速場合 調(diào)速范圍和調(diào)節(jié)特性的線性度均遠不如電樞控制 電樞電流保持不變的磁場控制 只能用于幾瓦至十幾瓦的小功率電機 只有加較深的速度負反饋系統(tǒng)才可獲得穩(wěn)定的轉速 在只有輸出力矩 轉速可以為零 的場合比較適用 直流他激伺服電動機的轉矩 慣量比是很小的 已不能適應現(xiàn)代伺服控制技術要求 兩種高性能的小慣量高速直流伺服電動機 1 小慣量無槽電樞直流伺服電動機無槽電樞直流伺服電動機又稱表面繞組電樞直流伺服電動機 結構不同之處在于電樞的鐵心表面無槽 電樞繞組與鐵心成為一個堅實的整體 電樞繞組均勻分布在鐵心表面上 大大縮小了電樞直徑 減小了轉子的轉動慣量 換向性能改善 過載能力加強 改善低速平穩(wěn)性 擴大了調(diào)速范圍 具有以下優(yōu)點 轉子轉動慣量小 普通電機1 10 電磁時間常數(shù)小 反應快轉矩 慣量比大 過載能力強 最大轉矩比額定轉矩大10倍低速性能好 轉矩波動小 線性度好 摩擦小 調(diào)整范圍可達數(shù)千比一 具有以下缺點 轉速高 作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動機仍需減速器氣隙大 安匝數(shù)多 效率低 慣量小 熱容量較小 過載時間不能太長 由于電機本身轉動慣量小 負載轉動慣量可能要占系統(tǒng)總慣量中較大成份 負載轉慣量發(fā)生變化時 影響系統(tǒng)的動態(tài)性能 慣量匹配問題 無槽電樞直流伺服電動機是一種大功率直流伺服電動機 主要用于需要快速動作 功率較大的伺服系統(tǒng)中 如雷達天線的驅動 自行火炮 導彈發(fā)射架驅動 計算機外圍設備以及數(shù)控機床等方面都有應用實例 2 空心杯電樞直流伺服電動機空心杯電樞直流伺服電動機是一種轉動慣量更小的直流伺服電動機 為 超低慣量伺服電動機 低轉動慣量 起動時間常數(shù)可達1ms以下 轉矩 轉動慣量比很大 角加速度可達106rad s 2 靈敏度高 快速性好 速度調(diào)節(jié)方便 始動電壓在100mV以下?lián)p耗小 效率高 效率可達80 或更高 繞組均勻分布 無齒槽效應 轉矩波動小 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 mm 轉子無鐵心 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機輸出功率從零點幾瓦到幾千瓦 多用于高精度的伺服系統(tǒng)及測量裝置等設備中 如電視攝像機 各種錄單機 X Y函數(shù)記錄儀 數(shù)控機床等機電一化設備中 2 低速大扭矩寬調(diào)速電動機 低速大扭矩寬調(diào)速電動機是在過去軍用低速力矩電動機經(jīng)驗的基礎上發(fā)展起來的一種新型電動機 相對于前面的小慣量電動機而言 大扭矩寬調(diào)速電動機具有下列特點 高轉矩 轉動慣量比 從而提供了極高的加速度和快速響應高熱容量 使電機在自然冷卻全封閉條件下 仍能長時間過載電機具有高轉矩和低速特性使得它可與對象直接耦合電動機在大的加速度和過載情況下 有良好的換向 電動機具有足夠的機械強度 保證有長的壽命和高的可靠性 采用能承受重載荷的軸和軸承 使得電動機在加 減速和低速大轉矩時能承受最大峰值轉矩 電動機內(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變壓器和低紋波測速發(fā)電機 3 兩相異步電動機 兩相異步電動機在幾十瓦以內(nèi)的小功率隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應用 控制方式分幅值控制和相位控制 兩相異步電動機具有較寬的調(diào)速范圍 本身摩擦力矩小 比較靈敏 具有杯型轉子的兩相異步機轉動慣量小 因而快速響應特性好 常見于儀表隨動系統(tǒng)中 4 三相異步電動機 三相異步電動機控制方式有多種 如變頻調(diào)速 變電壓調(diào)速 串級調(diào)速 脈沖調(diào)速等 變頻調(diào)速可獲得比較平直的機械特性 調(diào)速范圍比較寬但控制線路復雜 該調(diào)速方法目前已得到廣泛應用 工業(yè)中傳統(tǒng)使用的是利用可控硅實現(xiàn)變壓調(diào)速和串級調(diào)速 它只適用于線繞式轉子的異步電動機 變壓調(diào)速和串級調(diào)速均在單向調(diào)速時采用 低速性能差且調(diào)速范圍不寬 與同功率的直流電機相比 三相異步電機的體積小 重量輕 價格便宜 維護簡單 5 滑差電機 亦稱轉差離合器 滑差電機的主動部分由原動機帶動作單向等速運轉 用直流控制它的激磁 激磁電流大小可調(diào)節(jié)其從動部分的轉速 從動部分帶動負載追隨主動部分 故只能單方向調(diào)速 其機械特性較軟 調(diào)速范圍不大 低速性能較差 但控制線路簡單 6 步進電機 按激磁方式分永磁式 感應式和反應式 其中反應式結構簡單 用得較為普遍 目前工業(yè)上多用于小功率場合 步進電機特別適合于增量控制 在機床進刀系統(tǒng)中廣泛采用 7 力矩電機 力矩電機分直流和交流兩種 它在原理上與他激直流電機和兩相異步電機一樣 只是在結構和性能上有所不同 比較適合于低速調(diào)速系統(tǒng) 甚至可長期工作于堵轉狀態(tài)只輸出力矩 因此它可以直接與控制對象相聯(lián)而不需減速裝置 8 直流無刷電動機 直流電動機的優(yōu)點是機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好 堵轉轉矩大 力矩電機 控制方法簡單 其缺點是有換向器和電刷 兩相伺服電動機的優(yōu)點是沒有換向器和電刷 缺點是機械特性和調(diào)節(jié)特性具有嚴重的非線性 轉矩小 效率低 兩者的結合 在現(xiàn)今已得以實現(xiàn) 這種電動機用電子換向開關電路和位置傳感器代替電刷和換向器 這使直流無刷電動機既具有直流電動機的機械特性 調(diào)節(jié)特性 又具有交流電動機的維護方便 運行可靠 沒有電磁干擾等優(yōu)點 缺點是 結構比較復雜 包括電子換向器在內(nèi)的體積較大 轉矩波動大 低速時轉速的均勻性差 控制用無刷直流電動機包括無刷直流伺服電動機和無刷直流力矩電動機 二 伺服電動機的選擇1 基本依據(jù) 1 典型負載干摩擦力矩Mc Mcsign Nm 慣性力矩ML J J d dt Nm 粘性摩擦力矩M 2N Nm 重力力矩MG GL Nm 彈性力矩MK K Nm 風阻力矩Mf f Nm 2 描述與定量分析典型負載與其運動參數(shù) 有關 若對象運動有規(guī)律 則可用簡單數(shù)學形式來描述 多數(shù)被控對象的運動形態(tài)是隨記得 工程采用近似方法 選取有代表性的工況作定量分析 長期運行電機發(fā)熱狀態(tài)短時超載系統(tǒng)極限運動的承載能力根據(jù)動態(tài)性能要求檢驗電機的響應能力被控對象運動與電機運動是同時進行的 既要克服對象的負載 也要克服電機自身的負載 3 銘牌定量計算方法產(chǎn)品單位要用國際單位統(tǒng)一 a 力矩電機產(chǎn)品參數(shù) 以LY系列永磁力矩電機目錄為例輸出參數(shù) 峰值堵轉力矩Mmbl 最大空載轉速nm0 對應Um的實際空載轉速 連續(xù)堵轉力矩Mcbl 輸入?yún)?shù) 峰值堵轉電流Imbl 峰值堵轉電壓Um 連續(xù)堵轉電流Icbl和電壓Uc 電機參數(shù) 電勢系數(shù)Ce 轉子轉動慣量Jr 電磁時間常數(shù)Ti 計算公式 b 直流伺服電機輸出參數(shù) 額定轉矩MR 額定轉速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 電機參數(shù) 電樞轉動慣量Jr 或轉子飛輪轉矩計算公式 c 兩相異步電機輸出參數(shù) 堵轉轉矩Mbl 空載轉速n0 額定輸出功率PR 輸入?yún)?shù) 頻率f 堵轉電流Ibl 額定控制電壓UR 激磁電壓Uf 每相輸入功率P 電機參數(shù) 電機時間常數(shù)Tm 極對數(shù)計算公式 2 單軸傳動執(zhí)行電機選擇電機與負載直接對接 無減速器 例1 探測器方位角跟蹤系統(tǒng) 例2小車在鋼軌上運動 需要電機驅動 已知 小車滿載重量 G 500N 車輪半徑 R 0 2m軌跡滾動摩擦系數(shù) f 0 002要求 車速可逆 vm 1 2m s am 0 2m ss系統(tǒng)最大誤差 m 0 1m零初始狀態(tài) 1 t 作用 ts 3s 選電機直接驅動 解 1 轉換直線運動轉換為旋轉運動 2 選電機160LY55直接連接 參數(shù)如下 3 校驗檢驗發(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 動態(tài)性能 帶寬 在不增大電機外徑的前提下 重新選電機 160LYX 3 多軸傳動執(zhí)行電機選擇 m L i 1 力矩關系 1 i 其中 1 選擇電機 根據(jù)運動要求 選擇傳動比i的類型 估計 并折算到電機軸 0 92 0 96 圓柱齒輪或圓錐齒輪 0 980 70 0 80 齒條或蝸桿輪 0 75 0 820 50 0 60 螺母絲桿 一般傳動部分的轉動慣量 Jp 0 05 0 1 Jr Jr電機轉動慣量 電機功率小時 取0 1 功率大時 取0 05 進行三個方面的驗證 溫升發(fā)熱 短時極限承受力 動態(tài)頻帶溫升發(fā)熱驗證 短時極限承受力驗證 以極限角加速度 lim作為短時運行 此時承受的轉矩M 用 過載系數(shù)來衡量 即短時 t3s 超載Msup MR鼠籠式兩相異步電機 1 8 2空心杯兩相異步電機 1 1 1 4伺服三相異步電機 2直流伺服電機 3 直流力矩電機不能超過Mmbl驗證標準 M MR 對力矩電機M Mmbl動態(tài)頻帶驗證 例3有一轉臺 設計水平向傳動 已知 解 1 單位換算 2 初選電機 初選直流伺服電機為ZK 32C 參數(shù)如下 輸出參數(shù) 額定轉速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電機參數(shù) 轉子飛輪轉矩 0 053可得 電樞轉動慣量Jr 4 0 01325估算 傳動比傳動裝置采用三級圓柱齒輪和一級渦輪蝸桿傳動 總效率為 因為電機功率小 取傳動轉動慣量Jp 0 1Jr 0 001325 3 驗證溫升發(fā)熱驗證 短時極限承受力驗證 動態(tài)頻帶驗證 例4小功率伺服系統(tǒng) 已知 解 1 單位換算 2 初選電機 選f 400Hz兩相異步電機70sL01 其參數(shù)如下 輸出參數(shù) 堵轉轉矩Mbl 1000gcm 0 098Nm空載轉速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電機參數(shù) 電機時間常數(shù)Tm 25ms 0 025s可求得 傳動比傳動裝置采用四級圓柱齒輪傳動 總效率為 取傳動轉動慣量Jp和測速發(fā)電機Jc折合到電機后 總轉動慣量為 3 驗證溫升發(fā)熱驗證 短時極限承受力驗證 動態(tài)頻帶驗證 伺服檢測裝置的選擇 在伺服系統(tǒng)中 測量裝置的作用是產(chǎn)生一個與被檢測量等效的電信號 如直流電流 直流電壓等 以控制系統(tǒng)工作 在信號的變化過程中 測量裝置會給伺服系統(tǒng)帶來誤差 測量裝置自身的精度或分辯率對整個伺服控制系統(tǒng)精度的關系很大 對測量裝置的主要要求 1 精度高 不靈敏區(qū)小 其誤差比整個系統(tǒng)允許誤差小得多 2 被測量與電輸出信號之間在給定工作范圍內(nèi)具有線性關系 3 要求輸出信號中所含干擾成分要小 4 輸出信號應能在所要求的頻帶內(nèi)準確地復現(xiàn)被測量 盡量避免儲能元件造成的動態(tài)滯后 5 機電測量裝置自身的轉動慣量要小 摩擦轉矩要小 6 測量裝置輸出的功率應足夠高 以便能夠不失真地傳遞信號和作進一步的信號處理 一 調(diào)速系統(tǒng)測量裝置的選擇 調(diào)速系統(tǒng)需要測速反饋 測量輸出角速度 并轉換為對應的電壓信號 反饋回去與輸入信號進行比較 要求測速元件低速輸出穩(wěn)定 紋波小 線性度好 模擬量測速元件 通常采用直流測速發(fā)電機數(shù)字式測速元件 采用光電式脈沖發(fā)生器 亦稱增量編碼器 介紹直流測速發(fā)電機 數(shù)字測速的原理和基本要求以及頻率 電壓 F V 變換器 1 模擬測速元件 直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機的型式 永磁式 他勵式 伺服系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機的要求a 輸出電壓和轉速的特性線性度要好 b 輸出特性的斜率要大 c 溫度變化對輸出特性的影響要小 d 輸出電壓的紋波要小 e 輸出特性的對稱性要一致 直流測速發(fā)電機的誤差因素理想的測速發(fā)電機其輸出電壓Ug與其轉軸的角速度 成正比Ug Kg 直流測速發(fā)電機的輸出信號Ug中 包含有紋波分量或無用信號Un rip t 稱為測速發(fā)電機的噪聲 它由以下的各種因素所引起 換向紋波是構成測速發(fā)電機噪聲的主要部分 它由測速發(fā)電機電刷和換向器之間相對運動引起的 在低速時影響尤為明顯 電樞偏心它產(chǎn)生周期性的有害信號 其基波頻率等于測速發(fā)電機的角頻率 頻率相對比較低 對系統(tǒng)是有害的 與換向紋波相比 通常是較小的 高頻噪聲對噪聲Un rip t 影響的第三個因素是高頻噪聲或稱 白噪聲 它主要的是電磁感應引起的 因為信號頻率較高 可以濾除掉 對系統(tǒng)影響不大 直流測速發(fā)電機反饋的速度伺服系統(tǒng)測量裝置的選擇Kr代表速度給定電位器的轉換系數(shù) 系統(tǒng)傳遞系數(shù)K為 測速發(fā)電機的線性關系低速時電動勢小 輸出有 死區(qū) 根據(jù)輸出斜率KF和電刷接觸壓降 Ud 可估算uf f 特性的不靈敏區(qū) dead ud KF 選擇時 應使不靈敏區(qū) dead min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 當系統(tǒng)輸出達到最大速度 max時 需要的最大輸入信號Ui max為Ui max KF max max K 系統(tǒng)可逆運行時 給定電位器最大輸出電壓應等于 Ui max 則電位器的電源電壓Ug Ui max 選擇給定電位器和測速發(fā)電機要注意負載能力 使負載引起的非線性效應最小 2 數(shù)字測速元件 光電脈沖測速機數(shù)字測速元件是由光電脈沖發(fā)生器及檢測裝置組成 它們具有低慣量 低噪聲 高分辯率和高精度的優(yōu)點 脈沖發(fā)生器連接在被測軸上 隨著被測軸的轉動產(chǎn)生一系列的脈沖 檢測裝置對脈沖進行比較 獲得被測軸的速度 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量裝置對轉速變化的敏感度 當測量數(shù)值改變 對應轉速由n1變?yōu)閚2 則分辯率Q定義為Q n2 n1 r min Q值愈小 測量裝置對轉速變化愈敏感 亦即其分辯率愈高 高精度精度表示偏離實際值的百分比 即當實際轉速為n 誤差為 n時的測速精度為e n n 100 影響測速精度的因素有 光電測速器的不同心度制造誤差和脈沖計數(shù)時 1個脈沖的誤差 短的檢測時間檢測時間 即兩次速度連續(xù)采樣的間隔時間T T愈短 愈有利于實現(xiàn)快速響應 數(shù)字測速方法脈沖計數(shù)測量轉速方法有三種 M法 T法 M T法M法測速在規(guī)定的時間間隔Tg內(nèi) 測量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值 這種方法稱為M法 設脈沖發(fā)生器每轉一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為P 且在規(guī)定的時間Tg 秒 內(nèi) 測得的脈沖數(shù)為m1 則電機每分鐘轉數(shù) nM 60m1 PTg r min 技術指標 Q值與轉速無關 計數(shù)值m1變化1 在任何轉速下所對應的轉速值增量均等 轉速很小時 Tg內(nèi)脈沖少 則測出的速度不準確 欲提高分辯率 可提高P 或者增加Tg 測量精度測量過程有 1個脈沖的檢測誤差 則相對誤差為1 m1 轉速增加 m1增大 相對誤差減小 M法適用高速測量 檢測時間T Tg 60 PQ 在保持一定分辯率的情況下 縮短檢測時間唯一的辦法是改用P值大 轉盤刻線密度大或透光孔多 的光電脈沖發(fā)生器 T法測速測量相鄰兩個脈沖的時間來確定被測速度的方法叫做T法測速 方法 用一已知頻率fc的時鐘脈沖向一計數(shù)器發(fā)送脈沖 此計數(shù)器由測速脈沖的兩個相鄰脈沖控制其起始和終止 若該計數(shù)器的讀數(shù)為m2 則電機每分鐘的轉數(shù)為nM 60fc Pm2 r min T法測速的技術指標 轉速nM升高 Q值增大 轉速愈低 Q值愈小 亦即T法測速在低速時有較高的分辯率 測速精度光電脈沖發(fā)生器制造誤差為ep 導致測速的絕對誤差隨著轉速的升高而增加 例如ep 10 當nM 100r min nM 10r min 當nM 1000r min nM 100r min 另外 時鐘脈沖m2計數(shù)時 總有一個脈沖的誤差 由此造成的相對誤差為1 m2 隨著轉速nM增加 m2計數(shù)值減小 此項誤差也隨之增大 T法在低速時有較高的精度和分辯率 適合于低速時測量 檢測時間T等于測速脈沖周期Ttach 即T Ttach 60 nMP 可見 隨著轉速的升高 檢測時間將減小 確定檢測時間的原則是 即要使T盡可能短 又要使計算機在電機最高速運行時有足夠的時間對數(shù)據(jù)進行處理 時鐘脈沖fc的確定fc愈高 分辯率愈高 測速精度愈高 但fc過高又使m2過大 使計數(shù)器字長加大 影響運算速度 確定方法 根據(jù)最低轉速nM min和計算機字長設計出最大計數(shù)m2 max 有 fc nM minPm2 max 60 M T法測速同時測量檢測時間和此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測轉速 用規(guī)定時間間隔Tg以后的第一個測速脈沖去終止時鐘脈沖計數(shù)器 由計數(shù)器示數(shù)m2來確定檢測時間T 注意 上中的60fc P項是常數(shù) 在檢測時間T內(nèi) 分別計取測速脈沖ftach和時鐘脈沖fc的脈沖個數(shù)m1和m2 即可計算出電機轉速值 計取Tg時間內(nèi)的測速脈沖ftach的個數(shù)相當于M法 而計取T時間內(nèi)參考時鐘脈沖fc的個數(shù)m2相當于T法 所以該測速方法兼有M法和T法的優(yōu)點 在高速和低速段均可獲得較高分辯能力 性能指標 分辯率由于Tg定時和m1計數(shù)同時開始 m1無誤差 由m2變化 1時 分辯率Q為 測速精度用eP 表示測速脈沖周期Ttach不均勻誤差 因該誤差不累積 計取m2時只在最后一個周期內(nèi)對m2產(chǎn)生影響 同時考慮m2可能產(chǎn)生 1的誤差 由此引起測速誤差etach 為參數(shù)選擇 時鐘脈沖頻率fc的選取測速規(guī)定時間Tg的選擇在性能指標允許的條件下 盡可能選取小的Tg值 數(shù)字測速方法評價 對分辯率而言T法測速時較高 隨著速度的增大 分辯率變壞 M法則相反 高速時較高 隨著速度降低 分辯率變差 M T法的Q nM是常數(shù) 與速度無關 因此它比前兩種方法都好 從測速精度上看以M T法為佳 考慮檢測時間 在標準的M法中 T Tg 與速度無關 在T法中 因為取測速脈沖的間隔時間Ttach作為檢測時間 因而 隨著速度的增大而減小 M T法檢測時間相對前兩種方法是較長的 但是若稍微犧牲一點分辯率 選擇分辯率在最低轉速時仍使m1 5 6個脈沖 便可使檢測時間幾乎與M法相同 T Tg 另外 速度控制系統(tǒng)的響應決不僅僅是由檢測時間確定 還與功率轉換電路 電動機的特性以及負載情況有關 因此 檢測時間的選取 應視具體系統(tǒng)的要求而定 但對快速響應要求比較高的系統(tǒng)來說 檢測時間的影響是不容忽視的 光電脈沖測速檢測裝置的選擇允許忽略由采樣引起的相位移的條件是 tach min 10 帶寬 rad s 式中 tach min消除采樣數(shù)據(jù)相位移所允許的測速器頻率 在已知系統(tǒng)階躍輸入信號作用下的響應時間ts情況下 系統(tǒng)開環(huán)截止頻率 c c 6 10 ts 近似求得 若把 c的值作為系統(tǒng)閉環(huán)的帶寬 則有 tach min 10 c光電測速器輸出信號的頻率為ftach Nn 60 N 2 N圓盤刻線密度 n轉速 可得 tach min Nnmin 30 有 N 300 c nmin 表示了帶寬 c 每分鐘最低轉速nmin及圓盤密度N三者之間極重要的輔助關系 它是選擇光電測速器的基本依據(jù) 二 隨動系統(tǒng)檢測裝置的選擇 位置控制系統(tǒng)測量裝置通常采用的有圓環(huán)形旋轉電位器 自整角機 同步機 旋轉變壓器 解算器 碼盤 感應同步器 采用電位器作角度測量和角度同步傳輸是常用的一種方法 選用電位器測量角度或傳輸角度 有滑動接觸 容易造成磨損 而且可能出現(xiàn)溫差電動勢 影響測量精度 要求較高的系統(tǒng)中 多采用非接觸式的角度測量和傳輸裝置 自整角機和旋轉變壓器 略 放大裝置選擇 在大中功率系統(tǒng)中 廣泛應用了直流發(fā)電機 交磁機 磁放大機 晶閘管放大器 液壓放大器等 在中小功率系統(tǒng)中 晶體管功率放大器得到廣泛應用 晶體管功率放大器具有體積小 無噪聲 無慣性 使用方便等特點 一 基本要求及設計內(nèi)容 基本要求 放大裝置的功率輸出級必須與所選執(zhí)行電機相匹配 實現(xiàn)對控制信號的功率放大 必須輸出足夠的功率驅動執(zhí)行電機 電壓 電流 并滿足電機短時過載和超速運行以及突然反向制動的工況 一般說來 功率放大器的電壓輸出幅值應能達到電機額定電壓的1 2倍 中小型直流電機 起動電流是額定電流的2 5 5倍 功率放大器的輸出電流是電機額定電流的2 5 5倍 交流電機 由于其電流過載很小 只需考慮電壓有過載能力 放大裝置功率輸出級輸出阻抗要小 效率要高 在執(zhí)行元件是直流電機的情況下 放大器的輸出阻抗是電樞回路總電阻的一部分 如果放大器的輸出阻抗不能做得很小 則機電時間常數(shù)必然要加大 這就使得電機反應速度變慢 因此 應當盡量減小功率放大器的輸出阻抗 一個有效的辦法是引入電壓負反饋 只要加大電壓負反饋的深度 就可以無限度地減小放大器的輸出阻抗 但實際上 由于放大器存在慣性 電壓負反饋過深 可能導致動態(tài)品質(zhì)變壞 因此 合適的負反饋深度以減小輸出阻抗 改善放大器的非線性 克服元件參數(shù)變化的影響 并改善動態(tài)品質(zhì) 功率放大裝置應有足夠的線性范圍 功率放大器是末級放大 最可能出現(xiàn)飽和 過早地出現(xiàn)飽和 將使功率放大器等效內(nèi)阻增大 輸出特性變壞 等效時間常數(shù)增大 放大裝置的通頻帶至少應是系統(tǒng)帶寬的5倍以上 功率放大器本身的頻帶應大大高于系統(tǒng)的頻帶 使其時間常數(shù)成為小參數(shù) 否則將使系統(tǒng)的階數(shù)增高 影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì) 放大裝置的輸入級要和測量元件的輸出阻抗相匹配 放大裝置的不靈敏區(qū)比測量元件的失靈區(qū)要小 輸入級的精度要高 還要進行溫漂的核算 放大裝置需根據(jù)不同的執(zhí)行元件有相應保護措施 當系統(tǒng)執(zhí)行電機為直流力矩電機或其它永磁式直流電機時 放大裝置輸出級應有限流保護防止電流過載 放大裝置提供一定的制動條件以提高系統(tǒng)效率 對電機功率在500W以上 經(jīng)常可逆運行的系統(tǒng) 要求放大裝置輸出級能提供電機發(fā)電制動條件 以提高整個系統(tǒng)的效率 放大裝置的放大倍數(shù)確定及設計確定放大裝置的放大倍數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)對靜差和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的要求來進行 用靜差來確定放大倍數(shù) 設系統(tǒng)允許的靜差為ej 測量元件的誤差為ec 則其余的靜差部分是其它的元件所產(chǎn)生 放大器應在 ej ec 2的信號輸入下使輸出達到電機的額定電壓UMR 實際上 只需輸出一個電壓克服電機失靈區(qū)并能供給電機一定電壓去克服負載中的摩擦力矩即可 確定總放大倍數(shù)的上限值 即Kmax 2UMR ej ec 用等速跟蹤誤差ev來確定放大倍數(shù) 系統(tǒng)以最大角速度跟蹤輸入 這時允許的等速跟蹤誤差為ev 則放大裝置應在誤差信號ev的輸入下 使輸出達到電機額定電壓UMR 這樣就確定了放大倍數(shù)的下限值 即Kmin UMR ev 放大倍數(shù)的分配要從后向前逐級提高 精度也從后向前逐級提高 并在第一級放大器留有動態(tài)校正的余地 查閱典型線路作為參考 進行具體設計 要注意放大器使用對象的差異 必要時加保護電路 常用的小功率直流放大器有互補推挽式 橋式以及脈沖調(diào)寬式 即PWM 交流放大器有推挽式和互補推挽式 大功率電機的放大裝置有晶閘管功放和電機擴大機等 它們與測量元件之間仍然要用集成運算放大器相連 這樣不但能實現(xiàn)信息的傳遞 而且可方便地進行動態(tài)校正和綜合 在設計放大裝置的同時 要把對電源 包括功率放大器所用的電源和信號放大所用的穩(wěn)壓電源的形式 交 直流 規(guī)格 電壓 電流 以及精度確定下來 用于選擇或設計電源