运动控制系统
哈尔滨理工大学自动化学院主讲教师：许家忠
伺服电机及其驱动技术
伺服系统的发展
（1）直流伺服系统
?伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电
气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围
设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则
是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。
3
（2）交流伺服系统
?从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。
4
（2）交流伺服系统
?交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。
5
（3）交直流伺服系统的比较
?直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场
合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。?交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了
广泛的应用。
从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。
在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。
6
（4）伺服系统的发展趋势
? 1. 交流化
伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已经超过80%。在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC 伺服电机将完全取代DC伺服电机。
7
（4）伺服系统的发展趋势
? 2. 全数字化
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理
机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电
子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字
化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件
伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系
统中应用现代控制理论的先进算法（如:最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。
8
（4）伺服系统的发展趋势
? 3. 采用新型电力电子半导体器件
目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管
（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Modules，简称IPM）。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。
9
10（4）伺服系统的发展趋势? 5. 智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。
（4）伺服系统的发展趋势
? 6. 模块化和网络化
在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation 简称FA）工程技术在最近十年来
得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和专用的局域网接口。
这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。
11
概述-伺服电机
?运动控制中的执行部件：电动式、液压式和气动式；
?电动式执行部件动作灵敏，性能优良，控制方便，容易小型化，广泛应用。
12
执行元件类型及特点
1. 电气执行元件
电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）
伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元
件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态
性能好，适合于频繁使用，便于维修等
?2．液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、
液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况
下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点
?3．气压式执行元件
气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液
压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动
力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩
性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
13
14
15
16
概述-伺服电机
?电机是电动机(俗称马达)的简称，是一种将电能转换成机械能的装置；。
?在伺服系统中所使用的电机一般称为伺服电机；?伺服电机在运动控制系统中主要用作执行部件；
17
概述-伺服电机
?伺服电机是一种受输入电信号控制，并作出快速响应的电机，其堵转转速与控制电压成正比，转速随着转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控制电压为零时能够立即停止。
18
概述-伺服电机类型
?运动控制中常用的伺服电机类型：
?①直流(DC)伺服电机
?②无刷直流伺服电机
?③交流(AC)伺服电机
?④步进电机。
19
20
Motors
?Motors convert electrical energy to mechanical energy ?Motors make things move
LINEAR 线性电机ELECTROSTATIC 直流有刷电机步进电机感应电机
交流电机
目录 直流(DC与交流(AC伺服电机及驱动 (1 1.直流(DC伺服电机及其驱动 (1 (1直流伺服电机的特性及选用 (1 (2直流伺服电机与驱动 (2 (3PWM直流调速驱动系统原理 (3 2.交流(AC伺服电机及其驱动 (4 直流(DC与交流(AC伺服电机及驱动 1.直流(DC伺服电机及其驱动 (1直流伺服电机的特性及选用 直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用,使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交,从而产生转矩。其电枢大多为永久磁铁。 直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率,优良的控制特性等优点。但由于使用电刷和换向器,故寿命较低,需要定期维修。 20世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电机,其电枢无槽,绕组直接粘接固定在电枢铁心上,因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好,适用于高速且负载惯量较小的场合,否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配,增加了成本。 直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电机,电枢由导电板的切口成形,导体的线圈端部起换向器作用,这种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小型NC 机床及线切割机床上。
宽调速直流伺服电机的结构特点是励磁便于调整,易于安排补偿绕组和换向极,电动机的换向性能得到改善,成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。永久磁铁的宽调速直流伺服电机的结构如下图所示。有不带制动器a和带制动器b两种结构。 电动机定子(磁钢1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁、转子(电枢2直径大并且有槽,因而热容量大,结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合,提高了电动机气隙磁通密度。同时,在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电机,并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器,为速度环提供了较高的增量,能获得优良的低速刚度和动态性能。 日本发那科(FANUC公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC 的L系列(低惯量系列、M系列(中惯量系列和H系列(大惯量系列直流伺服电机。其中L系列适合于频繁启动、制动场合应用,M系列是在H系列的基础上发展起来的,其惯量较H系列小,适合于晶体管脉宽调制(PWM驱动,因而提高了整个伺服系统的频率响应。而H系列是大惯量控制用电动机,它有较大的输出功率,采用六相全波
摘要 AMT是一种经济型的自动变速器，在重型载货车上具有广阔的应用空间。目前，中国重型车辆装用的都是手动机械式变速器，并且形成了相当规模的生产能力。与AT 相比，AMT更适合中国汽车工业的现实，国内重型车采用AMT自动变速技术既可以保留原有的手动变速器生产线，又可大大节省用于重建专业生产线及设备的投资，具有重要的现实意义。 在电控机械式自动变速器设计开发中，离合器和选换档执行机构的设计及优化是AMT设计的重点和难点之一，其性能直接影响AMT系统的性能，本文以法士特 12JS200TA变速器为基础，进行AMT系统液压驱动执行机构的设计。 本文的主要工作内容如下: 1.分析了国内外重型车自动变速技术的发展，对重型车AMT的关键技术问题及操纵系统结构进行了阐述。 2.分析了AMT液压驱动系统的设计要求及结构，并针对法士特12JS200TA 12挡带同步器的手动变速器，在原有离合器和变速器操纵机构的基础上设计了新型的液压驱动自动操纵机构。 3.进行了AMT液压驱动机构的元件计算、选型及系统仿真、分析。对液压回路重要元件进行了选型并对动态响应速度进行了动态分析。 关键词：AMT；液压驱动；换挡执行机构；离合器执行机构；节气门执行器
ABSTRACT AMT is an economical automatic transmission; therefore it has extensive，application space in the heavy truck. Currently, heavy vehicles are all equipped with manual transmission, and forms production capacity on a quite scale. AMT is more suitable for automotive industry reality in china than AT. The development and production of AMT may retain previous product line of manual transmission and greatly save the investment for reconstruction of professional production line and equipment, so it has important reality meaning. During the design and development of AMT, design and optimization of selection-shift actuator is one of key and special difficulties for AMT design. The performance will have direct effect on the whole performance of AMT system. In this paper, Taking focus on a manual transmission of heavy truck, combing with science and technology research plan of Chongqing, shift actuator with hydraulic drive for AMT system is developed and designed and its performance is researched. In this paper, the main contents are showed as follows: 1.The development of automatic transmission technique for heavy truck both home and abroad is introduced. The key technique of automatic transmission for heavy truck and operation system configuration are illustrated. 2. Analysis of the AMT hydraulic drive system and structural design requirements, and file for Fast 12JS200TA 12 manual transmission with a synchronizer, the original clutch and transmission control mechanism based on the design of a new type of hydraulic-driven auto-control mechanism. 3. For the AMT calculation of the hydraulic drive mechanism of the components, selection and system simulation and analysis. Important components of the hydraulic circuit and the dynamic response of the selection of the dynamic analysis. Keywords: Atotomatic manual transmission（AMT）；Hydraulic drive；Shift executing agency；Clutch executing agency；Air damper actuator
感谢您使用本产品，本使用操作手册提供LCDA系列伺服驱动器的相关信息。内容包括： ●伺服驱动器和伺服电机的安装与检查 ●伺服驱动器的组成说明 ●试运行操作的步骤 ●伺服驱动器的控制功能介绍与调整方法 ●所有参数说明 ●通讯协议说明 ●检测与保养 ●异常排除 ●应用例解说 本使用操作手册适合下列使用者参考： ●伺服系统设计者 ●安装或配线人员 ●试运行调机人员 ●维护或检查人员 在使用前，请您仔细详读本手册以确保使用上的正确。此外，请将它妥善保存在安全的地点以便随时查阅。下列在您尚未读完本手册时，务必遵守事项： ●安装的环境必须没有水气，腐蚀性气体或可燃性气体。 ●接线时，禁止将三相电源接至马达U、V、W的连接器，因为一旦接错 时将损坏伺服驱动器。 ●接地工程必须确实实施。 ●在通电时，请勿拆解驱动器、马达或更改配线。 ●在通电动作前，请确定紧急停机装置是否随时开启。 ●在通电动作时，请勿接触散热片，以免烫伤。 如果您在使用上仍有问题，请洽询经销商或者本公司客服中心。
安全注意事项 LCDA 系列为一开放型（Open Type ）伺服驱动器，操作时须安装于遮蔽式的控制箱内。本驱动器利用精密的回授控制与结合高速运算能力的数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP ）,控制IGBT 产生精确的电流输出，用来驱动三相永磁式同步交流伺服马达（PMSM ）达到精准定位。 LCDA 系列可使用于工业应用场合上，且建议安装于使用手册中的配线（电）箱环境（驱动器、线材与电机都必须安装于符合环境等级的安装环境最低要求规格）。 在按收检验、安装、配线、操作、维护与检查时，应随时注意以下安全注意事项。 标志[危险]、[警告]与[禁止]代表的含义： ? 意指可能潜藏危险，若未遵守要求可能会对人员造成严 重伤或致命 ? 意指可能潜藏危险，若未遵守可能会对人员造成中度的 伤害，或导致产品严重损坏，甚至故障 ? 意指绝对禁止的行动，若未遵守可能会导致产品损坏， 或甚至故障而无法使用
永磁同步伺服电机(PMSM) 驱动器设计原理 周瑞华周瑞华先生，中达电通股份有限公司应用工程师。 关键词：PMSM 整流功率驱动单元控制单元 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模拟数字混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺点，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加可靠。现在，高性能的伺服系统大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。后者由两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是技术垄断的核心。 一交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁伺服系统主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口单元、伺服电机及相应的反馈检测器件组成。 其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。我们的交流永磁同步驱动器集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化，是传统的驱动系统所 不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软起动电路,以减小起动过程对驱动器的冲击。 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块，如图1所示。功率板(驱动板)是强电部分其中包括两个单元，一是功率驱动单元用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源；控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心，控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。
10 液压传动系统的设计和计算 本章提要：本章介绍设计液压传动系统的基本步骤和方法，对于一般的液压系统，在设计过程中应遵循以下几个步骤：①明确设计要求，进行工况分析；②拟定液压系统原理图；③计算和选择液压元件；④发热及系统压力损失的验算；⑤绘制工作图，编写技术文件。上述工作大部分情况下要穿插、交叉进行，对于比较复杂的系统，需经过多次反复才能最后确定；在设计简单系统时，有些步骤可以合并或省略。通过本章学习，要求对液压系统设计的内容、步骤、方法有一个基本的了解。 教学内容： 本章介绍了液压传动系统设计的内容、基本步骤和方法。 教学重点： 1．液压元件的计算和选择； 2．液压系统技术性能的验算。 教学难点： 1．泵和阀以及辅件的计算和选择； 2．液压系统技术性能的验算。 教学方法： 课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示设计的步骤及方法。 教学要求： 初步掌握液压传动系统设计的内容、基本步骤和方法。
10.1 液压传动系统的设计步骤 液压传动系统的设计是整机设计的一部分，它除了应符合主机动作循环和静、动态性能等方面的要求外，还应当满足结构简单，工作安全可靠，效率高，经济性好，使用维护方便等条件。液压系统的设计，根据系统的繁简、借鉴的资料多少和设计人员经验的不同，在做法上有所差异。各部分的设计有时还要交替进行，甚至要经过多次反复才能完成。下面对液压系统的设计步骤予以介绍。 10.1.1 明确设计要求、工作环境，进行工况分析 10.1.1.1 明确设计要求及工作环境 液压系统的动作和性能要求主要有：运动方式、行程、速度范围、负载条件、运动平稳性、精度、工作循环和动作周期、同步或联锁等。就工作环境而言，有环境温度、湿度、尘埃、防火要求及安装空间的大小等。要使所设计的系统不仅能满足一般的性能要求，还应具有较高的可靠性、良好的空间布局及造型。 10.1.1.2 执行元件的工况分析 对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变化规律，通常是求出一个工作循环内各阶段的速度和负载值。必要时还应作出速度、负载随时间或位移变化的曲线图。下面以液压缸为例，液压马达可作类似处理。 就液压缸而言，承受的负载主要由六部分组成，即工作负载，导向摩擦负载，惯性负载，重力负载，密封负载和背压负载，现简述如下。 (1)工作负载w F 不同的机器有不同的工作负载，对于起重设备来说，为起吊重物的重量；对液压机来说，压制工件的轴向变形力为工作负载。工作负载与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值。工作负载既可以为定值，也可以为变量，其大小及性质要根据具体情况加以分析。
第一章概述 1.1 产品简介： 交流伺服技术自九十年代初发展至今，技术日臻成熟，性能不断提高，现已广泛应用于数控机床、印刷馐机械、纺织机械、自动化生产线等自动化领域。 DDA98交流伺服系统系国产第一代全数字交流伺服系统，采用国际最新数字信号处理DSP）、大规模可编程门阵列（CPLD）和MISUBISHI智能化功率模块（IPM），集成度高、体积小、保护完善、可靠性好、彩最何必PID算法完成PWM控制，性能已达到国外同类产品的水平。 与步进系统相比，DA98交流伺服系统具有以下优点 ●避免失步现象 伺服电机自带编码器，位置信号反馈至伺服 驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环 控制系统。 ●宽速比、恒转矩 调速比为1：5000，从低速到高速都具有稳 定的转矩特性。 ●高速度、高精度 伺服电机最高转速可达3000rpm，回转定位 精度1/10000r。 〖注〗不同型号伺服电机最高转速不同。 ●控制简单、灵活 通过修改参数可对伺服系统的工作方式、运 行特性作出适当的设置，以适应不同的要求。
1.2 到货检查 1）收货后，必须进行以下检查： （1） 包装箱是否完好，货物是否因运输受损？ （2） 核对伺服驱动器和伺服电机铭牌，收到货物是否确系所订货物？ （3） 核对装箱单，附件是否齐全？ 2）型号意义： （1） 伺服驱动器型号 （示出华中理工大学电机厂STZ 系列） ※1 (04、06……23)对应0.4~2.3KW ※2 ※1：可选配其它国产、进口伺服电机，需订货。驱动器缺省参数仅适配STZ 系列伺服电机， 选配其它伺服电机时，出厂参数已备份在EEPROM 区。恢复出厂参数时应执行恢复备份，不可执行恢复缺省参数操作。 ※2：中小功率（小于等于1.5KW ）为标准配置，中功率（大于1.5KW 、小于等于2.3KW ）采用 加厚散热器。 〖注〗产品出厂时,上面填写框已按产品型号填写好,请用户与产品铭牌核对。 （2） 伺服电机型号 DA98交流伺服驱动器可与国内外多款伺服电机配套，由用户订货时选择。本手册按华中电机厂生产的伺服电机进行描述，其它型号伺服电机有关资料随伺服电机提供。 光电编码器反馈 电机工作电压H ：300V L ：200V 额定转速级别 1：低速（1500/2000rpm ） 2：高速（2500/3000rpm ） 零速转矩2、4、5、6、7.5、10…N.m 正弦波驱动伺服电机 电机外径 110：110×110mm 130：130×130mm
伺服电机的工作原理图 伺服电机工作原理——伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。 1、永磁交流伺服系统具有以下等优点： （1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单； （2）定子绕组散热快； (3)惯量小，易提高系统的快速性； （4）适应于高速大力矩工作状态； （5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2、交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。
运动控制系统 哈尔滨理工大学自动化学院主讲教师：许家忠
伺服电机及其驱动技术
伺服系统的发展 （1）直流伺服系统 ?伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电 气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围 设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则 是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。 3
（2）交流伺服系统 ?从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 4
（2）交流伺服系统 ?交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。 5
XXXX校名 课程设计说明书 学生姓名：学号： 学院： 专业： 题目：卧式钻床动力滑台液压传动系统设计 指导教师：职称: 职称: 20**年12月5日
目录 1.负载分析 (2) 2.绘制液压工况（负载速度）图 (3) 3.初步确定液压缸的参数 (3) 3.1.初选液压缸的工作压力： (3) 3.2.计算液压缸尺寸： (4) 3.3.计算液压缸在工作循环中各阶段的压力、流量及功率： (4) 3.4.绘制液压缸工况图 (5) 4.拟定液压系 (5) 4.1.选择液压回路 (5) 4.2.液压系统的组合 (5) 5.液压元件的计算和选择 (7) 5.1.确定液压泵的容量及驱动电机的功率： (7) 5.2.液压泵的流量 (7) 5.3.选择电动机 (7) 5.4.元件选择 (8) 5.5.确定管道尺寸 (8) 5.6.确定油箱容积： (8) 6.管路系统压力损失验算 (9) 6.1.判断油流状态 (9) 6.2.沿程压力损失 (9) 6.3.局部压力损失 (10) 7.液压系统的发热与温升验算 (11) 7.1.液压泵的输入功率 (11) 7.2.有效功率 (11) 7.3.系统发热功率 (11) 7.4.散热面积 (11) 7.5.油液温升 (11) 8.参考文献： (12)
1. 负载分析 1.切削力： Ft=16000N 2.导轨摩擦阻力 静摩擦力： fs F =W f S =0.2 ?20000 = 4000N 动摩擦力：fd F = W f d =0.1?20000 = 2000N 3.惯性阻力 （1）动力滑台快进惯性阻力m F ,动力滑台启动加速、反向启动加速和快退减速制动的加速度相等，s m v /15.0=?，s t 20.0=? N t v g w F m 153020.015 .08.920000=?=??= （2）动力滑台快进惯性阻力' m F ,动力滑台由于转换到制动是减速，取s m v /1074-?=?， s t 20.0=? N t v g w F m 14.720 .01078.9200004' =??=??=- 液压缸各动作阶段负载列表如下： 工况 计算公式 液压缸负载F （N ） 液压缸推力 （m F F η =） 启动 F= W f S 5000 5556 加速 F =W f d + m F 6326 7029 快进 F=W f d 2500 2778 工进 F=t F +W f d 18000 20000 制动 F =W f d — ' m F 2483 2759 快退 F=W f d 2500 2778 制动 F =W f d — m F —1326 —1473
目录 一、伺服驱动概述 (1) 二、本产品特性 (2) 三、电路原理图及PCB版图 (4) 四、电路功能模块分析 (4) 五、焊接（附元件清单） (14) 六、编者设计体会 (16)
一．伺服驱动概述 1. 伺服电机的概念 伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，作为一种执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机是可以连续旋转的电－机械转换器，直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。 2.伺服电机分类 普通直流伺服电动机 直流伺服电机 { 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机 3. 控制系统对伺服电动机的基本要求 宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转”现象 快速响应 控制功率小、重量轻、体积小等。 4. 直流伺服电机的基本特性 （1）机械特性在输入的电枢电压Ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩M 变化而变化的规律，称直流电机的机械特性 （2）调节特性直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下电机的稳态转速n随电枢的控制电压Ua变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性 （3）动态特性从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性 5. 直流伺服电机的驱动原理 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷直流伺服电机电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境
交流伺服电机的工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 4. 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降， 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000 r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足
双叉式液压升降台液压驱动方案的设计 3 赵英俊,史晓敏 (浙江海洋学院机电工程学院,浙江舟山 316004) 摘 要:随着舟山临港物流业的快速发展,30t 以上集装箱的吞吐量增速较快,传统集装箱起吊装备体积大,购置成本 高,移动速度慢,严重影响集装箱的出入库和循环使用速度。为了解决以上问题,设计一种新型双叉式液压升降台,该升降台具有移动速度快、起重载荷大、购置成本较低的特点,该设计方案经实践检验是可行的。 关键词:双叉式升降台;液压系统;方案设计;临港物流 中图分类号:U653.921 文献标识码:A 文章编号:1006-4414(2010)02-0062-03 D esi gn of hydrauli c syste m for double fork hydrauli c li fti n g t able Zhao Ying -jun,Shi Xiao -m in (School of electro m echanical engineering of Zhejiang ocean university,Zhoushan Zhejiang 316004,China ) Abstract:W ith the rap id devel opment of harbor cargo trans port in Zhoushan city,cargo p r ocessing ability of greater -than 30t container was rap idly increasing,in -outwarehouse and mobile s peed of container was largely affected because of large volu me of conventi onal lifting equi pment,and sl ow travel rate of its .To s olve p revi ous p r oble m s,a ne w double f ork hydraulic lifting table is designed,which travel rate of this equi pment is quicker and fact ory acquisiti on costs is l ower,thr ough p ractical verif 2ying,this p r oject design is feasible . Key words:double f ork lifting table;hydraulic syste m;p r oject design;harbor cargo trans port 1 前 言 随着舟山临港物流业的快速发展,30t 以上集装 箱的吞吐量增速较快,传统集装箱起吊装备体积大,购置成本高,移动速度慢,严重影响集装箱的出入库和循环使用速度,为了解决以上问题,设计一种新型双叉式液压升降台,该升降台具有移动速度快、起重载荷大、购置成本低的特点。 双叉式液压升降台由两部分组成:液压驱动单元和机械传动单元,如图1所示。液压驱动单元的作用是将液压能转化为机械能,通过液压元件控制调节液体压力与流量,最后由液压泵站控制提供液压能。机械传动单元由叉架、底框架、台面框架、下限位支撑架、维修支撑架、地脚支架、导轨架等组成,它的作用是将液压泵站提供液压能,通过液压油缸顶升叉架机构,实现升降台面的升降 。 图1 液压双叉式升降台 2 升降台液压驱动方案的设计 2.1 设计要求 液压驱动系统设计是液压升降台总体的重要组成部分,设计时必须满足液压升降台使用功能所需的全部技术要求,而且静动态性能好,效率高,安全可靠,结构简单,经济性好,使用维护方便。为此,要明确与液压驱动系统有关的液压升降台参数的确定原则,要与升降台的总体设计综合考虑做到机、电、液相 互配合,保证液压升降台总体的性能最好[1] 。 根据液压升降台的使用工况,其液压驱动系统必须解决好以下问题。 (1)保证动作平稳,升降台上载重量变化很大,且机械传动零件加工、安装的误差以及台面的偏载,都将导致液压马达负载变化较大,液压系统必须要克服负载变化对速度产生的影响,确保机构无冲击地平稳运行[2] 。 (2)由于采用两台液压马达分别驱动四个液压缸,因此,液压系统必须保证设备具有较高的同步控制精度。 (3)工作载荷及架体自重在运动速度变化时引起的惯性冲击问题。 (4)下降过程反向负载引起失重现象,必须加以控 制,尤其是如此大型的设备,一旦失控极其危险[3] 。2.2 主要技术参数及要求 台面升降速度:3m /m in;叉架升起最大高度:2.83m;叉架降低最小高度:0.81m;总行程:2.02m;升 ? 26??机械研究与应用? 3收稿日期:2010-02-23 作者简介:赵英俊(1987-),男,浙江杭州人,研究方向:液压系统设计。
第一章 概述 1.1 产品简介： 交流伺服技术自九十年代初发展至今，技术日臻成熟，性能不断提高，现已广泛应用于数控机床、印刷馐机械、纺织机械、自动化生产线等自动化领域。 DDA98交流伺服系统系国产第一代全数字交流伺服系统，采用国际最新数字信号处理DSP ）、大规模可编程门阵列（CPLD ）和MISUBISHI 智能化功率模块（IPM ），集成度高、体积小、保护完善、可靠性好、彩最何必PID 算法完成PWM 控制，性能已达到国外同类产品的水平。 与步进系统相比，DA98交流伺服系统具有以下优点 ● 避免失步现象 伺服电机自带编码器，位置信号反馈至伺服 驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环 控制系统。 ● 宽速比、恒转矩 调速比为1：5000，从低速到高速都具有稳 定的转矩特性。 ● 高速度、高精度 伺服电机最高转速可达3000rpm ， 回转定位 精度1/10000r 。 〖注〗不同型号伺服电机最高转速不同。 ● 控制简单、灵活 通过修改参数可对伺服系统的工作方式、运 行特性作出适当的设置，以适应不同的要求。 1.2 到货检查 1）收货后，必须进行以下检查： （1） 包装箱是否完好，货物是否因运输受损？ （2） 核对伺服驱动器和伺服电机铭牌，收到货物是否确系所订货物？ （3） 核对装箱单，附件是否齐全？ 2）型号意义： （1） 伺服驱动器型号 DA98
适配伺服电机型号（示出华中理工大学电机厂STZ 系列） ※1 输出功率：两位数字(04、06……23)对应0.4~2.3KW ※2 系列代号 ※1：可选配其它国产、进口伺服电机，需订货。驱动器缺省参数仅适配STZ 系列伺服电机， 选配其它伺服电机时，出厂参数已备份在EEPROM 区。恢复出厂参数时应执行恢复备份，不可执行恢复缺省参数操作。 ※2：中小功率（小于等于1.5KW ）为标准配置，中功率（大于1.5KW 、小于等于2.3KW ）采用加 厚散热器。 〖注〗产品出厂时,上面填写框已按产品型号填写好,请用户与产品铭牌核对。 （2） 伺服电机型号 DA98交流伺服驱动器可与国内外多款伺服电机配套，由用户订货时选择。本手册按华中电机厂生产的伺服电机进行描述，其它型号伺服电机有关资料随伺服电机提供。 STZ —— HM 3（1DA98伺服驱动器标准附件安装使用手册（本书）1本 安装支架2个 ×8沉头螺钉 4个 插头（DB25孔） 1套 （注1） 插头（DB25针） 1套 （注2） 〖注1〗 配套我厂位置控制器时，与信号电缆（3）米配套提供。 〖注2〗 我厂提供伺服电机时，用户可选择反馈电缆（3米）配套提供。 （2）伺服电机标准附件按伺服电机说明书提供 1.3 产品外观 1） 伺服驱动器外观 2） 伺服电机外观 第二章 安装 光电编码器反馈 电机工作电压H ：300V L ：200V 额定转速级别 1：低速（1500/2000rpm ） 2：高速（2500/3000rpm ） 零速转矩2、4、5、6、7.5、10…N.m 正弦波驱动伺服电机 电机外径 110：110× 110mm 130：130×130mm
永磁同步伺服电机驱动器原理： 1、引言： 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交 流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着 长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交 流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成 了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单； （2）定子绕组散热快； （3）惯量小，易提高系统的快速性； （4）适应于高速大力矩工作状态； （5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满 足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已 经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方 法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能 的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机 和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器 硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是 国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2、交流永磁伺服系统的基本结构： 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口 单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中 伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的 交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于 高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统 的驱动系统所不可比拟的。
开题报告
目录 摘要............................................................................................................................................................... ４Abstract ......................................................................................................................................................... ６引言............................................................................................................................................................... ７第一章机械手设计要求分析..................................................................................................................... ７ 1.1 设计目的和要求........................................................................................................................... ７ 1.2.机械手简介与分析....................................................................................................................... ７第二章液压系统设计............................................................................................................................... ８ 2.1. 根据工作要求确定一个工作循环周期的运动过程 ................................................................. ８ 2.2 据工作循环过程确定系统工况分析图，确保工作运动中的动作连续性 ................................ ９ 2.3 拟订液压系统的工作原理图........................................................................................................ ９ 2.4 根据整个系统的液压元件需求选择标准的液压元件 ............................................................ １０ 2.5 液压缸尺寸的确定及安全强度的校核 .................................................................................. １０第三章. 集成块的设计............................................................................................................................ １２ 3.1设计分析..................................................................................................................................... １２ 3.2 根据具体的要求进行设计计算............................................................................................... １３ 3.3 下面为集成块的设计步骤........................................................................................................ １５ 3.4 液压集成块的加工工艺.......................................................................................................... １７第四章液压集成块CAD技术............................................................................................................... １８结束语....................................................................................................................................................... ２０致谢........................................................................................................................................................... ２１参考文献................................................................................................................................................... ２２