第6单元伺服系统设计理论
第6单元 伺服系统设计理论
61伺服系统稳态设计 o伺服系统稳态设计的内容 对控制对象进行运动与动力学分析、负载分析、执行元件及传 动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。 o伺服系统稳态设计目的 确定系统的基本不变部分的结构,稳态设计的结果确定了系 统的控制能力。 o伺服系统稳态设计特点 稳态设计运用基砒知识面更宽,需要有一定的实践经验
6.1 伺服系统稳态设计 伺服系统稳态设计的内容 对控制对象进行运动与动力学分析、负载分析、执行元件及传 动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。 伺服系统稳态设计目的 确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系 统的控制能力。 伺服系统稳态设计特点 稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验
o工程定量计算的计量单位 我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI。国内有些产品铭 牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。 名称 符号工程单位国际单位 换算关系 转速角速度n92 r/min rad/s lr/min=元/30rad/s kg·m2 飞轮转矩 GD2 1kg·m2=98N·m2 m g·cm lg·cm2=9.8×10N·m 转动惯量 g·m 1kg·m·s2=98kg·m2 In g。cm·s lg·cm·s2=9.8×105kg·m2 力 F kg 1 kg=9.8N 力矩 M或T g·m lkg·m=98N·m g。cm lg·cm=9.8×105N·m 功(能) kg J或N·m lkg·m=98J lw·h=3600J 功率 kg·m/ W或J/s lkg·ms=98W hP hP=735.5W
工程定量计算的计量单位 我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭 牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。 名 称 符号 工程单位 国际单位 换算关系 转速/角速度 n Ω r/min rad/s 1 r/min = π/30 rad/s 飞轮转矩 GD2 kg·m2 g·cm2 N·m2 1 kg·m2 = 9.8 N·m2 1 g·cm2 = 9.8×10-7 N·m 转动惯量 J kg·m·s 2 g·cm·s 2 kg·m2 1 kg·m·s 2 = 9.8 kg·m2 1g·cm·s 2=9.8×10-5kg·m2 力 F kg N 1 kg = 9.8 N 力 矩 M或T kg·m g·cm N·m 1 kg·m = 9.8 N·m 1 g·cm = 9.8×10-5 N·m 功(能) W kg·m W·h J或N·m 1 kg·m = 9.8 J 1 W·h = 3600 J 功 率 P kg·m/s hP W或J/s 1 kg·m/s = 9.8 W 1 hP = 735.5 W
对伺服控制系统的一般要求 稳、准、快 稳态指标 稳态指标:转速降=no-n 静差率=[(no-n)/n0l×10%
对伺服控制系统的一般要求 稳、准、快 •稳态指标 稳态指标：转速降＝ n0－n 静差率＝[（n0－n）/n0 ] ×100%
动态指标: 超调量:0=) ×100% Cloo 响应时间 系统达到给定△ 区所需的时间 这个指标反映系 1+△ 统的惯性,即响 应速度 上升时间t 峰值时间t ts 3
• 响应时间 ts 系统达到给定 △ 区所需的时间 。 这个指标反映系 统的惯性 ，即响 应速度 。 •上升时间 tr 峰值时间 tp ( ) ( ) 100% ( ) p p c t c c − = 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.81 1.2 1.4 1 + △ 1 - △ tr tp ts 动态指标： 超调量：
611伺服系统典型负载分析和计算 明确了系统技术指标后,研究被控对象的运动学、动力学 特性,根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。 掌握了一般性硏究方法后,需对负载作定量分析,根据对 象的实际运动规律来建立负载和干扰模型 系统典型负载分析 伺服系统控制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大。 被控对象能否达到预期的运动状况,完全取决于系统的稳态和动 态性能。 系统常见的负载类型有:摩瘵负载、惯性负载、位能负载、弹性 负载以及风阻负载等
6.1.1 伺服系统典型负载分析和计算 明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学 特性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。 掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对 象的实际运动规律来建立负载和干扰模型。 一、系统典型负载分析 伺服系统控制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大。 被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳态和动 态性能。 系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、位能负载、弹性 负载以及风阻负载等
1.摩擦负载 从接触表面的相对运动形式看,有滑动摩擦与滚动摩擦。在条 件相同的情况下,滚动摩擦力比滑动摩擦力小。 以接触表面之间的润滑条件来看,有干摩擦、粘性摩擦(或称湿 摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦)。在条件相同情 况下,干摩擦最大,粘性摩擦小,半干摩擦力介于两者之间。 摩擦力:Fe=fN。 摩擦系数玙与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动 速度、接触时间等均有关
1.摩擦负载 从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚动摩擦。在条 件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩擦力小。 以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘性摩擦(或称湿 摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦)。在条件相同情 况下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。 摩擦力：Fc = f·N。 摩擦系数f与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动 速度、接触时间等均有关
2惯性负载 物体作变速运动时便有惯性负载产生。当执行元件带动被控对 象沿直线作变速运动时,被控对象存在有惯性力FL F (dvldt) 式中m为被控对象质量;v为运动速度;负号表示惯性力F的方 向始终阻止速度变化。 当系统所带的被控对象作旋转运动时,被控对象形成的惯性负 载转矩为 ML=-JLIde/dt 式中M为惯性负载转矩;J为被控对象绕其转轴的转动惯量; Q为其角速度。J=m2m为质点质量,r为绕轴半径
2.惯性负载 物体作变速运动时便有惯性负载产生。当执行元件带动被控对 象沿直线作变速运动时，被控对象存在有惯性力FL FL = - m (dv/dt) 式中m为被控对象质量；v为运动速度；负号表示惯性力FL的方 向始终阻止速度变化。 当系统所带的被控对象作旋转运动时，被控对象形成的惯性负 载转矩为 ML = - JL[dΩ/dt] ML为惯性负载转矩；JL为被控对象绕其转轴的转动惯量； Ω为其角速度。JL= m mr 2 为质点质量，r为绕轴半径
二、典型系统的综合负载分析和计算 实际伺服系统控制被控对象运动过程中,都要克服多种负载 的影响,因而需要根据各自的运动规律做具体分析和综合。 我们在建立系统动力学方程以及在选择执行元件功率时,需 要把对象所受到的负载换算到执行元件输出轴上。 1负载的传递和转化 般高速运动的执行元件带动相对低速运动的被控对象都需 用减速装置。三级齿轮减速器负载的传递与转化。 22 电机 负载 Z1 Z
二、典型系统的综合负载分析和计算 实际伺服系统控制被控对象运动过程中，都要克服多种负载 的影响，因而需要根据各自的运动规律做具体分析和综合。 我们在建立系统动力学方程以及在选择执行元件功率时，需 要把对象所受到的负载换算到执行元件输出轴上。 1.负载的传递和转化 一般高速运动的执行元件带动相对低速运动的被控对象都需 用减速装置。三级齿轮减速器负载的传递与转化
电机经过三级齿轮减速而带动负载。z1,Z12,…代表各级齿 轮齿数。电机至负载的总速比为i。 M 12 22 11 21 31 传递功率不变原理,有 M M2M=MO L 考虑传动效率η,有 =(减速器消耗的能量 传递的总能量 储能相等,可得 L 2 M L2 2 M 7
电机经过三级齿轮减速而带动负载。Z11，Z12，…代表各级齿 轮齿数。电机至负载的总速比为i 。 12 22 32 1 2 3 11 21 31 2 2 2 (1 ) 1 1 , 2 2 M L M L M M L L L L L M M M L M L M Z Z Z i i i i Z Z Z M M M M M M i J J J J i = = = = = − = = = = 传递功率不变原理，有 考虑传动效率 ，有 减速器消耗的能量 传递的总能量 ， 储能相等，可得