第第4章 伺服驱动系统设计.pptVIP

第4章 伺服驱动系统设计 4.1 概述 4.2 传感与检测 4.3 驱动元件 4.4 伺服驱动系统设计 4.5 数控机床设计实例 思考题 4.1 概述 4.1.1 伺服驱动系统的基本概念 一、基本概念 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。 P 152 二、伺服系统的基本结构形式 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。 图4-1给出了伺服系统组成原理框图。 1.比较环节; 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 2.控制器; 控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。 3.执行环节; 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。 4.被控对象;  5.检测环节; 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。 伺服系统的分类 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。 (1)按被控量参数特性分类。 (2)按驱动元件的类型分类。 (3)按控制原理分类。   4.1.2 伺服控制系统设计方法及步骤 一、伺服控制系统的基本要求 1、稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。 2、系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。 稳定的伺服系统对输入变化是以一种振荡衰减的形式反映出来，振荡的幅度和过程产生了系统的动态误差；当系统振荡衰减到一定程度以后，我们称其为稳态，此时的系统误差就是稳态误差；由设备自身零件精度和装配精度所决定的误差通常指静态误差。 3、响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 4、工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。 上述的四项特性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。利用自动控制理论来研究、分析所设计系统的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。系统设计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响应速度。 二、系统伺服设计的一般步骤 1、设计要求分析 分析技术指标；明确应用场合和目的；根据技术条件设定设计思路、方案；经论证，选定设计方案。 2、系统系能分析 系统主程序流程；对前述的基本要求相关指标，依次进行分析（稳定性尤重）； 3、计算选定测量或执行元件等 4、设计机械传动和执行部分 5、控制系统设计 主要有信号处理、功放电路、校正设计、伺服电机、驱动电路、接口设计等。 6、系统性能复查 边计算边调整，直至满意为止； 7、依据前6个步骤，确定设计方案，编写说明书，进行样机试制。 4.2 伺服驱动系统中的传感与检测 4.2.1 位置检测元件 一、光电旋转编码器 光电编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 所谓增量式，即只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。 根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的