第四章 驱动系统机电一体化系统设计
4.1 驱动系统的特点和技术要求
4.2 驱动元件
4.3 常用动力驱动元件的特性及选择方法第三章 驱动系统第二章第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求
4.1 驱动系统的特点和技术要求
4.1.1 驱动系统的特点机电一体化系统中的驱动元件和执行机构两个基本结构要素,与动力源、控制、传感及测试部分相结合,共同构成驱动系统。要求:动作灵敏度要高,响应速度要快,动态性能要好,
便于集中控制,具备效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性高等技术特点。
4.1 驱动系统的特点和技术要求
4.1.2 驱动系统的技术要求要求驱动系统的执行机构具备 的 主要性能指标:精确性、
稳定性、快 速性和可靠性。
1.精确性传动系统中的传动误差和回程误差会对控制系统性能产生影响,它对系统性能的影响程度不但与误差本身的大小有关,
还与其在系统中所处的位置有关。
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求典型伺 服驱动系统的方框图如图 4 - 1 所示。一般传动误差可视为由两部分组成:伺服带宽以内低频分量(如回程误差)
和伺服带宽以外高频分量(如传动误差)。
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求
( 1) 前向通道上环节的误差对输出精度的影响当图 4 - 1 中 G2(s) 环节有误差时,可以将其简化为一个无误差的环节 G’2(s) 和一个扰动输入信号 RN(s) 。则图 4 - 1 可简化为图 4 - 2,其中 GC(s) 为控制器的传递函数,GM(s) 为电动机的传递函数。
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求系统对输 入 的闭环传递函数为其开环传递函数为系统对扰动输入的闭环传递函数为
4.1 驱动系统的特点和技术要求在中、低频段,|ФN(s)| 随信号频率的降低呈衰减特性,
对低频干扰信号具有良好的抑制作用。在高频段,|ФN(s)| 接近于 1,对高频扰动信号几乎没有任何抑制作用。
4.1 驱动系统的特点和技术要求
( 2) 位于闭环之前环节的误差对系统输出精度的影响当 G1(s) 环节有误差时,忽略其它环节的误差,同样可以简化成一个无误差环节 G’1(s) 和干扰输入 RN(s) 。系统的方框图如图 4 - 3 所示。
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求系统对扰动输 入 的传递函数为第四章 第一节因而 ФN(s) 在中、低频段有以下特性,即在高频段 |ФN(s)| 满足中、低频段扰动信号 RN(s) 被 1:1 地馈送到输出端,而高频扰动信号经衰减后输出。实际上,G1(s) 环节的误差相当于系统的另外一个输入信号,它和系统的输入信号是并联关系。
4.1 驱动系统的特点和技术要求
( 3) 反馈环节误差对系统输出精度的影响第四章 第一节当位于反馈通道上的环节 G3(s) 有误差时,系统的方框图可以简化为如图 4 - 4 所示。其中 G’3(s) 是无误差等效环节,
RN(s) 是等效扰动信号。
4.1 驱动系统的特点和技术要求系统对输入的闭环传递函数为第四章 第一节系统对干扰信号的闭环传递函数为可见,系统对扰动输入 RN(s)和对系统输入 R(s)的传递函数是相同的。 RN(s) 相当于系统输入信号的一部分,从这一点上看,G3(s) 环节误差对输出精度的影响和 G1(s)环节误差对输出精度的影响是相同的。需要注意的是,G3(s)误差的低频分量不但会影响系统的输出精度,而且会对系统的稳定性产生影响,因为 G3(s)的误差会影响系统极点位置的分布。
4.1 驱动系统的特点和技术要求
( 4) 位于闭环之后输出通道上环节的误差对系统输出精度的影响由图 4 - 1 可知,由于 G4(s) 在闭环之后,系统对 G4(s)
环节的误差没有任何控制作用 ( G4(s) 环节的误差被直接馈送到系统的输出端),因此,无论是误差信号的高频分量还是低频分量都要影响系统的输出精度。
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求由前文分析可得出如下结论。
① 驱动系统中各环节的误差因其在系统中所处的位置不同,
对系统输出精度的影响是不同的;
② 同一环节误差的高频分量和低频分量,对输出精度的影响不同;
③ 输入通道上的环节(如 G1(s))误差的低频分量相当于系统输入信号的一部分,它影响输出精度;误差的高频分量由于系统的低通特性而得到抑制,它基本上不影响系统的输出精度;
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求
④ 前向通道闭环之内的环节(如 G2(s))误差的低频分量会得到反馈控制系统的补偿,对输出精度无影响;误差的高频分量影响系统的输出精度;
⑤ 反馈通道上环节(如 G3(s))的误差相当于系统的一部分输入信号,它对输出精度的影响和 G1(s) 环节误差对输出精度的影响是相同的;
⑥ 反馈通道上环节的误差会影响系统极点位置的分布,因此它对系统的稳定性也会有影响;
⑦ 前向通道上环节误差的低频分量会影响系统的零点和极点分布,它对系统的稳定性有影响。
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求
3.响应速度响应速度主要取决于系统的加速度。要提高角加速度,就必须提高伺服电动机的输出转矩,减小摩擦力矩,减小电动机和负载的转动惯量,提高传动效率。
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效能的主要技术指标。
第四章 第一节
4.1 驱动系统的特点和技术要求第四章 第一节
4.1.2 系统的品质工作稳定性、精确性(稳态精度)、快速性和阻尼程度等是对系统最基本的要求,通常它们是用系统输入特定信号的过渡过程和稳态特征值来表示的。
过渡过程表征了系统的动态性能,它是指系统的被控制量 c( t ),在受到控制量或扰动量作用时,由原来的平衡状态
(或稳态)变化到新的平衡状态的过程。
4.1 驱动系统的特点和技术要求第四章 第一节
1.系统的时域品质指标二阶系统(图 4 - 9 )在欠阻尼状态下,用阶跃响应的特征值来表征系统的品质指标。
4.1 驱动系统的特点和技术要求第四章 第一节
( 1)稳态误差被控制信号的期望值 cr ( t ) 与稳态值 c (∞ ) 之差称为稳态误差。它是系统控制精度的一种度量方法,是由于系统不能很好地跟踪输入信号而引起的原理性误差。
若系统中执行机构的元器件不完善,如静摩擦、间隙或放大器的零点漂移、元件老化或变质等,都会造成系统的误差,
称为静差。
稳态误差和静差是表征系统稳态精度的性能指标。利用误差系数,可方便地求出稳态误差。误差系数可通过对误差传递函数求导或用查表法求出。
4.1 驱动系统的特点和技术要求第四章 第一节
( 2)上升时间 tr; ( 3)峰值时间 tp ; ( 4)最大超调量 σ
( 5)过渡过程时间 ts ; ( 6)振荡次数 N
4.1 驱动系统的特点和技术要求第四章 第一节
3.频率特性法的品质指标在工程上,通常传动系统的设计多采用频率特性法,系统品质指标应当用频率特性来表示。
( 1)开环系统频率特性的主要品质指标(图 4 - 10 )
① 频率 ω = 0 时的放大系数 V0,
表征系统的精度;
② 穿越频率 ωd,
表征系统的快速性;
③ 穿越频率处的相位裕量 γ:
表征系统的振荡特性。
4.1 驱动系统的特点和技术要求第四章 第一节
( 2)闭环系统频率特性的品质指标(图 4 - 11 )
① 截止频率 ωg (闭环系统放大系数降到 0.7 时的频率):
该频率相当于开环系统的穿越频率;
② 谐振频率 ωm (闭环幅频特性具有最大幅值时的频率):
当 γ≥ 63° 时没有此值;
③ 谐振峰值 | Fg |,谐振频率处的幅值,当 γ≥ 63° 时没有此值;
4.1 驱动系统的特点和技术要求第四章 第一节表 4 - 1 为位置传动系统的典型品质指标参考数值范围。
4.2 驱动 元件第四章 第二节驱动元件包括各种交流、直流伺服电动机,步进电动机,
和电液、电气、伺服阀等。它们的共同特点是都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。一般对驱动元件有以下几方面的要求。
① 功率密度大
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 高效率,节约能源。
4.2 驱动 元件第四章 第二节驱动元件包括各种交流、直流伺服电动机,步进电动机,
和电液、电气、伺服阀等。它们的共同特点是都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。一般对驱动元件有以下几方面的要求。
① 功率密度大
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 高效率,节约能源。
4.2 驱动 元件第四章 第二节
4.2.1 步进电动机
1.转动式步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号变为相应的直线位移或角位移的变换器。
步进电动机的角位移量与输入脉冲的个数严格成正比。在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的相序,即可获得所需的转角、转速和转动方向。
4.2 驱动 元件第四章 第二节
( 1)步进电动机的结构和工作原理第一种为可变磁阻式( VR)步进电动机,也称为反应式步进电动机。
第二种为永磁型( PM )步进电动机。
第三种为混合型( HB )步进电动机,也称永磁反应式步进电动机。
步进电动机的通电方式不同,所获得的步距角也有所不同。
4.2 驱动 元件第四章 第二节
( 2)步进电动机的主要特性
① 主要性能指标
α ― 步距角
△ α ― 步距角误差
fq ― 最高启动频率
fmax ― 最高连续工作频率
② 静态特性转子不动时的状态称为静态。
4.2 驱动 元件第四章 第二节
③ 动特性
a.步进运行状态时的动特性
b.连续运行时的动特性
4.2 驱动 元件第四章 第二节
( 3)步进电动机的驱动电源步进电动机要正常工作,必然配以相应的驱动电路。驱动电路框图如图 4 - 14 所示。
4.2 驱动 元件第四章 第二节
2.直线步进电动机直线步进电动机的工作原理与转动式步进电动机相似,只是将输入的脉冲信号转换成相应的直线位移而不是角度位移。
4.2 驱动 元件第四章 第二节
4.2.2 直流电动机直流电动机具有良好的调速特性、较大的启动转矩,以及功率大和快速响应等优点。尽管其结构复杂、成本较高,但在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。
直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。
1.直流伺服电动机的转矩特性图 4 – 15 为直流电动机工作原理图。
4.2 驱动 元件
1.直流伺服电动机的转矩特性
4.2 驱动 元件第四章 第二节
1.直流伺服电动机的转矩特性直流伺服电动机的转矩 - 转速特性式:
4.2 驱动 元件第四章 第二节
1.直流伺服电动机的转矩特性
( 1)电动机为堵转状态或启动状态。
( 2)电动机为空载状态。
电动机的选择,首先要满足负载所需要的瞬时转矩和转速。从偏于安全的意义上讲,
就是能够提供克服峰值负载所需要的功率。
4.2 驱动 元件第四章 第二节
4.2.3 交流电动机
1.交流电动机的主要类型交流电动机是价格较便宜的一类电动机,尤其是其中的笼型电动机,因其结构简单、机械特性好、体积小、价格低,所以应用最广泛。
2,各类型号交流电动机的性能及应用范围常用的交流电动机分类型号及其性能特点见表 4 - 20。
4.3 常用动力驱动元件的特性及选择方法第四章 第三节驱动元件的种类很多,各类型元件的驱动特性、成本、环境适应性、结构及安装方式都有很大差别。图 4 - 23 是由典型伺服驱动元件构成的伺服系统的输出力和频率响应特性的大致关系。从图中可以看出由不同伺服驱动元件构成的伺服系统的特性差异很大,适用的范围也不同。但对于中小功率中等响应速度的场合可选用多种伺服系统。到底选择哪种伺服系统,则应根据控制方法、体积、成本、环境等要求做出综合选择。为便于对各种伺服驱动元件的性能进行比较,将它们的主要特性列在表 4 - 4 中。
4.3 常用动力驱动元件的特性及选择方法