伺服系统稳态设计(编辑修改稿)

伺服系统稳态设计(编辑修改稿)内容摘要：

围。 功 率范围几百瓦至几十千瓦。 nMU 1U 2U 3M R磁场控制 分电枢电压保持不变和电枢电流保持不变两种。 电枢电压为常值，功率在几百瓦电机，具有弱磁 升 速特性。 在 几十瓦以内，且负载力矩 MR较大，负载特性处于机械特性汇交点 的右边，可以实现弱磁 降 速，激磁电流 IR近似与转速成正比，可 用于可逆连续调速场合。 调速范围和调节特性的线性度均远不如 电枢控制。 电枢电流保持不变的磁场控制，只能用于几瓦至十几瓦的小功 率电机，只有加较深的速度负反馈系统才可获得稳定的转速。 在 只有输出力矩 (转速可以为零 )的场合比较适用。 nMnMM R M R112231 2 3  • 直流他激伺服电动机的转矩 —惯量比是很小的，已不能适应现代伺服控制技术要求 . • 两种高性能的小惯量高速直流伺服电动机 (1)小惯量无槽电枢直流伺服电动机 无槽电枢直流伺服电动机又称表面绕组电枢直流伺服电动 机。 结构不同之处在于电枢的铁心表面无槽，电枢绕组与铁心成 为一个坚实的整体，电枢绕组均匀分布在铁心表面上，大大缩小 了电枢直径，减小了转子的转动惯量。 换向性能改善，过载能力 加强。 改善低速平稳性、扩大了调速范围。 具有以下优点： 转子转动惯量小，普通电机 1/10，电磁时间常数小，反应快 转矩 —惯量比大，过载能力强，最大转矩比额定转矩大 10倍 低速性能好，转矩波动小，线性度好，摩擦小，调整范围可达 数千比一。 具有以下缺点： 转速高，作为伺服系统的执行电动机仍需减速器 气隙大，安匝数多，效率低。 惯量小、热容量较小，过载 时间不能太长。 由于电机本身转动惯量小，负载转动惯量可能要占系统总 惯量中较大成份。 负载转惯量发生变化时，影响系统的动态性 能。 惯量匹配问题。 无槽电枢直流伺服电动机是一种大功率直流伺服电动 机，主要用于需要快速动作，功率较大的伺服系统中， 如雷达天线的驱动、自行火炮、导弹发射架驱动、计算 (2)空心杯电枢直流伺服电动机 空心杯电枢直流伺服电动机是一种转动惯量更小的直流伺服电 动机，为“超低惯量伺服电动机”。 • 低转动惯量，起动时间常数可达 1ms以下。 转矩 —转动惯量比很大，角加速度可达 106rad/s↑2 • 灵敏度高，快速性好，速度调节方便，始动电压在 100mV以下 • 损耗小、效率高。 效率可达 80% • 绕组均匀分布，无齿槽效应，转矩波动小，低速平稳，噪声小 • 绕组的散然条件好，其电流密度可取到 30A/mm↑ • 空心杯形电枢直流伺服电动机输出功率从零点几瓦到几千瓦， 多用于高精度的伺服系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、 各种录单机、 XY函数记录仪、数控机床等机电一化设备中。 低速大扭矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的 基础上发展起来的一种新型电动机。 相对于前面的小惯量电动机 • 高转矩 —转动惯量比，从而提供了极高的加速度和快速响应 • 高热容量，使电机在自然冷却全封闭条件下，仍能长时间过载 • 电机具有高转矩和低速特性使得它可与对象直接耦合 • • 电动机具有足够的机械强度，保证有长的寿命和高的可靠性。 • 采用能承受重载荷的轴和轴承，使得电动机在加、减速和低速 • 电动机内安装有高精度和高可靠性的反馈元件 ——脉冲编码器 • 两相异步电动机在几十瓦以内的小功率随动系统和调速系统中被广泛应用。 控制方式分幅值控制和相位控制。 • 两相异步电动机具有较宽的调速范围，本身摩擦力矩小，比较灵敏。 具有杯型转子的两相异步机转动惯量小，因而快速响应特性好，常见于仪表随动系统中。 • 三相异步电动机控制方式有多种，如变频调速、变电压调速、串级调速、脉冲调速等。 变频调速可获得比较平直的机械特性，调速范围比较宽但控制线路复杂。 该调速方法目前已得到广泛应用。 工业中传统使用的是利用可控硅实现变压调速和串级调速，它只适用于线绕式转子的异步电动机。 变压调速和串级调速均在单向调速时采用，低速性能差且调速范围 • 与同功率的直流电机相比，三相异步电机的体积小、重量轻、价格便宜、维护简单。 (亦称转差离合器 ) 滑差电机的主动部分由原动机带动作单向等速运转，用直流控制它的激磁，激磁电流大小可调节其从动部分的转速，从动部分带动负载追随主动部分，故只能单方向调速。 其机械特性较 6. 按激磁方式分永磁式、感应式和反应式。 其中反应式结构简单，用得较为普遍。 目前工业上多用于小功率场合，步进电机特别 力矩电机分直流和交流两种。 它在原理上与他激直流电机和两相异步电机一样，只是在结构和性能上有所不同，比较适合于低速调速系统，甚至可长期工作于堵转状态只输出力矩，因此 直流电动机的优点是机械特性和调节特性的线性度好，堵转转 矩大 (力矩电机 )，控制方法简单，其缺点是有换向器和电刷。 两相伺服电动机的优点是没有换向器和电刷，缺点是机械特性 和调节特性具有严重的非线性，转矩小，效率低。 两者的结合，在现今已得以实现。 这种电动机用电子换向开关电路和位置传感器代替电刷和换向 器，这使直流无刷电动机既具有直流电动机的机械特性，调节特 性，又具有交流电动机的维护方便，运行可靠、没有电磁干扰等 优点。 缺点是：结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转 矩波动大，低速时转速的均匀性差。 控制用无刷直流电动机包括 无刷直流伺服电动机和无刷直流力矩电动机。 二、伺服电动机的选择 基本依据 （ 1）典型负载 干摩擦力矩 Mc= Mc signΩ (Nm) 惯性力矩 ML=Jε =J(dΩ /dt) (Nm) 粘性摩擦力矩 M Ω= 2N Ω (Nm) 重力力矩 M G = GL (Nm) 弹性力矩 M K = Kθ (Nm) 风阻力矩 Mf = f (Nm) （ 2）描述与定量分析 典型负载与其运动参数（ Ω ε θ ）有关，若对象运动有规 律，则可用简单数学形式来描述； 多数被控对象的运动形态是随记得，工程采用近似方法，选 取有代表性的工况作定量分析； 2• 长期运行电机发热状态 • 短时超载 • 系统极限运动的承载能力 • 根据动态性能要求检验电机的响应能力 被控对象运动与电机运动是同时进行的，既要克服对象的负 载，也要克服电机自身的负载。 （ 3）铭牌定量计算方法 产品单位要用国际单位统一。 a)力矩电机 产品参数，以 LY系列永磁力矩电机目录为例 输出参数： 峰值堵转力矩 Mmbl、最大空载转速 nm0(对应 Um的实 际空载转速 )、连续堵转力矩 Mcbl； 输入参数： 峰值堵转电流 Imbl、峰值堵转电压 Um、连续堵转电流 Icbl和电压 Uc； 电机参数： 电势系数 Ce、转子转动惯量 Jr、电磁时间常数 Ti • 计算公式 0000()miem blr c i mimam bleemeUnCMM n nnURIKCKK理 想 空 载 转 速自 摩 擦 转 矩电 枢 电 阻电 机 反 电 势 常 数电 磁 转 矩 常 数nM0inm b lMc b lM0n  mUcU b)直流伺服电机 输出参数： 额定转矩 MR、额定转速 nR、额定功率 PR； 输入参数： 电枢电流 IR、电枢电压 UR、激磁电流 If和电压 Uf； 电机参数： 电枢转动惯量 Jr、或转子飞轮转矩 计算公式 2GD22:2 2: 5 ( ) 54RR R RaRapp R RR R aeRmeRRRRRrrc m R RU I PRIULnn n IU I RKnKKPPMnGDJM K I M电 枢 电 阻电 枢 电 感 ， 极 对 数电 势 常 数 ：电 磁 转 矩 常 数额 定 转 矩 ：转 动 惯 量 :自 身 摩 擦 力 矩 ： c)两相异步电机 输出参数： 堵转转矩 Mbl、空载转速 n0、额定输出功率 PR； 输入参数： 频率 f、 堵转电流 Ibl、 额定控制电压 UR、 激磁电压 Uf、 每相输入功率 P； 电机参数： 电机时间常数 Tm、极对数 计算公式 2001()2( / m i n)( , / )R blRRRm blrM M N mPnrMTMJ k g m n r ad sn 单 位 单轴传动执行电机选择 电机与负载直接对接（无减速器） 例 1： 探测器方位角跟踪系统 22l im2112 0 /12 0 /20 0 /200. 1 4. 44t 0. 5 ,mmmcssseM N m J K g ms   s最 大 跟 踪 角 速 度 :最 大 跟 踪 角 加 速 度 ：最 大 角 加 速 度 ：最 大 跟 踪 角 差 ：探 测 器 负 载 干 摩 擦 ： ，零 初 始 状 态 下 ， 1(t) 作 用 ， 要 求 选 电 机。 222120 / 120 /3602120 / 120 /360mms rad ss rad s     解 : （ 1 ） 换 算 单 位22l im220 0 / 20 0 3. 5 /36020 220 ( ) 0. 00 5860 36 0ms rad se rad     0( 2) 20 / m i n,250 55 ,200 200 4880 / m i n /130 130 / ( / m i n)360m blm bl mmc blm bl crrLYM k g c m N mI A U Vn r rad sM k g c m N mI A U VVrJg            e选 电 机 低 速 力 矩 电 机 ， 直 接 对 接选 其 参 数 如 下 ：最 大 空 载 转 速 ：电 势 系 数 :C2 3 2360 10 28c m s k g m      0( 3 )4 8 2 9 .8 4 /0 .5 1 6 0miUn ra d s  e计 算 与 校 核C理 想 空 载 转 速。 00 6 . 4 /cimUn n r a d sU 对 应 连 续 空 载 转 速 ：0002 2 212 2 2( ) 1( ) ( )21( ) ( 528 ) 2m blrc i mirm s c rc r mMM n n N mnM M M J JNm         检 验 电 机 发 热 ， 等 效 转 矩( , ) ( 2 . 0 9 , 7 . 2 9 )m r m sM 在 连 续 堵 转的 机 械 特 性 附 近 ， 满 足 要 求。 0in0n c b lM m b lMnM9 . 8 46 . 41 9 . 61 2 .。