1、第六章 精密伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 了解精密儀器的控制系統(tǒng)的基本概念、組成、分類、基本要求。掌握開環(huán)伺服系統(tǒng)及閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成、主要部件、設(shè)計(jì)步驟。內(nèi) 容6.1 概述6.2 開環(huán)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3 閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.2 開環(huán)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、執(zhí)行元件類型及特點(diǎn)二、步進(jìn)電機(jī)原理三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)四、步進(jìn)電機(jī)主要性能參數(shù) 五、開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)控制 角位移 轉(zhuǎn)向 速度 定位步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的參數(shù)步距角、負(fù)載、頻率四、步進(jìn)電機(jī)主要性能參數(shù) （1）步距角（2）靜態(tài)特性參數(shù)（3）起動(dòng)特性參數(shù)（4）工作特性參數(shù) （5）加減速特性參數(shù)（6）額定電流/電壓（1）步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走一步所轉(zhuǎn)過(guò)

2、的角度稱為步距角，計(jì)算公式:式中：Z轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；m運(yùn)行的拍數(shù)。 同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因通電方式不同，運(yùn)行時(shí)步距角也是不同的。步距誤差步距誤差：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論步距角之差。步距的累積誤差：連續(xù)走若干步時(shí)，步距誤差的累積值。 影響因素：齒和磁極的機(jī)械加工及裝配精度，各相矩角特性之間的差別。周期性（2）靜態(tài)特性參數(shù)靜態(tài)：步進(jìn)電機(jī)通的直流電為常數(shù)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的定位狀態(tài)。參數(shù)： 矩角特性 最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)某相通以直流電，轉(zhuǎn)子上： 輸出轉(zhuǎn)矩Mj=0 ，轉(zhuǎn)角 =0 。 如果加負(fù)載轉(zhuǎn)矩M ，轉(zhuǎn)子必轉(zhuǎn)過(guò)角度，重新穩(wěn)定下來(lái)，此時(shí)： Mj（=M）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，失調(diào)角。某相的Mj與角的

3、關(guān)系曲線，稱之為轉(zhuǎn)矩失調(diào)角特性曲線矩角特性曲線。 矩角特性曲線M60o120oeMA0o-180o180oMBB 相通電時(shí)的穩(wěn)定平衡位置MABAB同時(shí)通電時(shí)的穩(wěn)定平衡位置1個(gè)齒距對(duì)應(yīng)360電角度最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩矩角特性曲線峰值（ ）。它表示步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力。 增大，則自鎖轉(zhuǎn)矩增大，靜態(tài)誤差減少，即負(fù)載能力增大，運(yùn)動(dòng)的快速性和穩(wěn)定性越好。（2）靜態(tài)特性參數(shù)靜態(tài)：步進(jìn)電機(jī)通的直流電為常數(shù)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的定位狀態(tài)。參數(shù)： 矩角特性 最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)頻率 起動(dòng)矩頻特性起動(dòng)慣頻特性（3）起動(dòng) 特性參數(shù)矩角特性曲線A 、B 交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于Mq 時(shí)電動(dòng)機(jī)才能正常起動(dòng)運(yùn)行，否則容易

4、失步，不能正常起動(dòng)。 Mq Mjmax 。最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)頻率 起動(dòng)矩頻特性起動(dòng)慣頻特性（3）起動(dòng)特性參數(shù)空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然起動(dòng)、進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率。如果起動(dòng)時(shí)脈沖頻率過(guò)高，則失步。最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)頻率 起動(dòng)矩頻特性起動(dòng)慣頻特性（3）起動(dòng)特性參數(shù)步進(jìn)電機(jī)在有外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。Mfq最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)頻率 起動(dòng)矩頻特性起動(dòng)慣頻特性（3）起動(dòng)特性參數(shù)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)純慣性負(fù)載時(shí)，起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。Jfq最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)頻率 起動(dòng)矩頻特性起動(dòng)慣頻特性（3）起動(dòng)特性參數(shù)?負(fù)載轉(zhuǎn)矩 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 f，丟步（4）工作特性參數(shù)最高工作頻率矩頻特

5、性步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，所能接受的（保證不失步運(yùn)行）最高（極限）頻率。它決定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。與控制脈沖頻率同步連續(xù)運(yùn)行 電機(jī)電磁-機(jī)械過(guò)渡過(guò)程T1 ? 控制脈沖轉(zhuǎn)換間隔T2T1T2低頻步進(jìn)運(yùn)行/單步運(yùn)行高頻連續(xù)運(yùn)行（4）工作特性參數(shù)最高工作頻率矩頻特性（4）工作特性參數(shù)最高工作頻率矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)控制頻率與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 Mf（4）工作特性參數(shù)最高工作頻率矩頻特性Mf?（5）加減速特性參數(shù)加減速特性 加/減速時(shí)間常數(shù)（5）加減速特性參數(shù)加減速特性 ：步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。加/減速時(shí)間常數(shù)（5）加減速特性參數(shù)

6、加減速特性 加/減速時(shí)間常數(shù)（ ）： f：00. 632 f工作或f工作0.368 f工作所需要的時(shí)間。（不可過(guò)小，否則出現(xiàn)失步/超失） 為了保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的加減速特性，在起動(dòng)和停止時(shí)應(yīng)進(jìn)行加減速控制。（6）額定電流/電壓額定電流 電機(jī)不動(dòng)時(shí)每相繞組容許通過(guò)的電流定為額定電流。 當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每相繞組通的是脈沖電流，電流表指示的讀數(shù)為脈沖電流平均值，并非為額定電流(此值比額定電流低)。 額定電壓 額定電壓是指加在驅(qū)動(dòng)電源各相主回路的直流電壓。 一般它不等于加在繞組兩端的電壓。 五、開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 當(dāng)伺服系統(tǒng)的負(fù)載不大，精度要求不高時(shí)，可采用開環(huán)控制。一般來(lái)說(shuō)，開

7、環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性不成問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮滿足精度方面的要求，并通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 設(shè)計(jì)步驟 1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算3、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)開環(huán)與否的確定（2）執(zhí)行元件的選擇（3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇（5）控制系統(tǒng)方案的選擇（1）系統(tǒng)開環(huán)與否的確定依據(jù)系統(tǒng)負(fù)載不大，精度要求不高開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：滿足精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性（2）執(zhí)行元件的選擇依據(jù)負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運(yùn)行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面的要求。一般來(lái)講，優(yōu)先選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。（3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和

8、轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則多為直線運(yùn)動(dòng)。用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：齒輪齒條可獲得較大的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動(dòng)間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜；絲杠螺母結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，應(yīng)用廣泛。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)的被控對(duì)象，是實(shí)現(xiàn)實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)。應(yīng)根據(jù)具體操作對(duì)象及特點(diǎn)來(lái)選擇和設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中都包含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇。（5）控制系統(tǒng)方案的選擇包括微型機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路等。常用的微型機(jī)有單片機(jī)、單板機(jī)、工業(yè)控制微型機(jī)等。2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算包括：執(zhí)行元件參數(shù)及規(guī)格的確定

9、， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)慣量、剛度等參數(shù)的計(jì)算等。舉例：步距角的確定 x執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。舉例：步進(jìn)電機(jī)工作頻率執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行的最高速度。3、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)*確定執(zhí)行元件與傳動(dòng)系統(tǒng)；*選擇與設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和放大裝置，校正補(bǔ)償、電源等裝置；*解決相鄰環(huán)節(jié)的連接、信號(hào)的有效傳遞、輸入與輸出的阻抗匹配等，主要考慮的問(wèn)題1. 信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路； 2. 放大器；3. 功率輸出級(jí)的技術(shù)參數(shù)； 4. 電源。思考題1、什么是伺服系統(tǒng)？按控制軌跡，可分為哪幾類？說(shuō)明精密定位工作臺(tái)，數(shù)字控制繪圖儀屬于其中哪類？按控制環(huán)路，可分為哪幾類？ 2、伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括哪幾部分功能模塊？舉例說(shuō)明。 3、試分析

10、人對(duì)手、腳等進(jìn)行伺服控制的過(guò)程，并進(jìn)一步分析具有觸覺、視覺或步行機(jī)構(gòu)的智能機(jī)器人的伺服控制原理及過(guò)程。 4、伺服系統(tǒng)的基本要求是什么？分析系統(tǒng)的哪些主要參數(shù)對(duì)其有何種影響？ 5、試從結(jié)構(gòu)、成本、穩(wěn)定性和精度等方面，分析開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合.(設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意哪些問(wèn)題？) 6、說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的工作原理，分析步進(jìn)式開環(huán)伺服系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)的位移、速度、方向、定位的控制。 7、某五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通電方式為AB-ABC-BC-BCD-CD，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為36，試計(jì)算其步距角。 8、說(shuō)明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路的組成及功能。 9、采用MCS-51系列單片機(jī)控制步進(jìn)

11、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度。已知電動(dòng)機(jī)步距角，最高轉(zhuǎn)速，試選擇合適的定時(shí)器及工作模式，導(dǎo)出定時(shí)常數(shù)的計(jì)算方式，并計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)。討論一1、直線式步進(jìn)電機(jī)原理/磁懸浮列車的運(yùn)行原理2、磁懸浮列車運(yùn)行狀態(tài)控制： 位移、速度、方向、定位3、磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 原理、系統(tǒng)框圖討論二1、直流/交流伺服電機(jī)原理，主要參數(shù)2、直流/交流（伺服）電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制： 轉(zhuǎn)角、速度、方向、定位3、直流/交流電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)二 精密工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、目的及要求 掌握精密儀器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用單片機(jī)軟、硬件系統(tǒng)通過(guò)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精密工作臺(tái)位移、速度（滿足電機(jī)的加、減速特性）、方向、

12、定位的控制。 硬件完成控制電路板，包括CPU、功放、按鈕、LED顯示。軟件可采用匯編或C實(shí)現(xiàn)。2設(shè)備（1）精密工作臺(tái)DZH50 P4 04： 步進(jìn)電機(jī) :57BYGH210 絲杠螺母副：導(dǎo)程4mm。（2）單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)指標(biāo)型號(hào)：57BYGH210相數(shù)：2相線圈：4V, 2.4A, 1.6步距角：1.8/0.9接線方式：A、 、B、 紅、綠、黃、藍(lán)3系統(tǒng)要求開環(huán)伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為絲杠螺母副。工作臺(tái)脈沖當(dāng)量：=0.01mm /脈沖；最大運(yùn)動(dòng)速度=1.2m/min；定位精度=0.01mm；空載啟動(dòng)時(shí)間=25ms。（1）系統(tǒng)任務(wù)分析、原理分析。（2）確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)。（3）設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服控制系統(tǒng)。（4）