机电装备设计第五章优秀课件

最大值。
3）最大启动转矩Tq
即静态矩角特性的交点 电磁转矩。使步进电机 转动的最大转矩。
表示步进电机带负载的能力。 Tmax越大，带载能力越强， 运行的快速和稳定性越好
设计中启动转矩Tq≥TL。
4）启动频率（又叫最大启动频率或空载启动频率）
定义：步进电机空载时，在静止状态下能够不失步 地突然启动的最大输入脉冲频率fst。是步进电机快 速性能的重要指标。一般空载启动频率比带载时频 率高。
选用时：
1）保证步进电动机的输出 转矩大于负载所需转矩；
2）要求计算机械系统负载 惯量和产品所要求的启动 频率，使之与步进电机相 匹配，并有一定余量；
3）使其步距角与机械系统 相匹配，以得到所需的脉 冲当量。
3 参数确定
s i t,i Z1 360
360
Z2 st
工作台进给速度为
v 60 f (mm / min)或 60 f (度 / min)
液压驱动伺服系统输出功率大、响应频率高； 气压驱动伺服系统响应频率低但输出功率大； 伺服电机驱动的伺服系统，对不同的伺服电机 具有不同的要求，因此具有所选择的输出功率范 围大、响应频率宽的特点。 在机电一体化产品中，常采用伺服电机驱动的 伺服系统。
伺 服 系 统 适 用 范 围
1、气压伺服 2、步进电机和两相交流感应电机
步进电机在运行状态下 的转矩称动态转矩。 一般，脉冲频率f↑，动 态转矩T↓。
矩频特性表征了步进电机的动态性能及运行时承受负载的能力。
选择步进电动机，根据最大负载力矩，最大启动 力矩，最大速度，最大加速度等，根据步进电动机 的特性，综合考虑进行选择，工作中要求步进电动 机能严格跟随指令脉冲，不发生失频、振荡，能快 速起动、停止、正反转和高效运转。满足各项性能 指标且具有良好的动态特性。
上述尽管对象的机械结构、传动形式不同，对伺服系 统的要求也有差别，但共同的一点是带动对象按需要的 规律作机械运动。
5.1.1 基本要求
(1)、稳定性 系统在其工作范围内是稳定、可靠的； (2)、精 度 比较经济地达到给定精度的要求； (3)、快速响应性 系统响应输入指令的速度要快； (4)、可承受频繁起动、制动和反转，振动和噪声小，
3、微小驱动力矩电机和螺线管传动 4、移动线圈直线电机
5、AC电机(无刷DC电机) 6、DC 电机
7、液压伺服
5.2 典型伺服系统
5.2.1 步进进电动机的转角和速度。
步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源 有密切关系。驱动电源由环形脉冲分配器、功 率放大器组成，如图所示。
5）惯频特性
一般说来，步进电
动机负载转动惯量增 加，启动频率下降。
步进电动机带动纯 惯性负载时，启动频 率和负载转动惯量之
间的关系，称为启动 惯频特性。
当在启动惯频特性曲线上查不到带惯性负载 的最大启动频率时，用下式近似计算：
f fm
st
1
Je Jm
2 动态特性
步进电机的动态特性影响动作快速及可靠性。 与负载特性、电源的驱动方式有关。
当工作台旋转时
s
Z1 Z2
ZK ZW
开环系统的定位精度一般可达±(0.01～0.03)mm，速度受电 动机最高运行频率的限制。系统设计时，应选择合适的脉冲当量， 传动元件应具有足够的刚度和制造精度，使传动系统的惯量、间 隙和摩擦因数要小。
开环系统结构简单、调试方便、成本低，没有稳定性问题， 工作比较可靠，广泛用于精度与速度要求不高的场合。
微电子突飞猛进，新元件、新器件、新理论、新 技术使伺服系统向智能化方向发展。
仿形铣床随动系统示意图
仿形铣床方框图
•数控进给伺服系统
伺服系统定义：
伺服系统(servo system)又称随动系统或自动跟踪系 统，是指以机械参数(位移、速度、力和力矩等)作为被 控量的一种自动控制系统，能自动地、迅速地、连续 地、精确地响应输入指令的变化规律。 应用： 1、数控机床刀具与工件之间的相对运动轨迹的控制； 2、跟踪雷达天线俯仰角、方位角的自动控制等。
70年代以来，大惯量宽调速直流伺服电机，在机 床进给伺服中广泛应用；
现代控制理论适应于---多变量时变系统，为计算机 在伺服系统中的应用奠定了理论基础；
用计算机完成系统的校正、改变伺服系统的增益、 带宽，完成系统管理---系统向智能化发展；
采用SPWM控制交流永磁式伺服电机，得到高的 位置精度，是其它控制所不能比拟的；
按其驱动方式分： 电气伺服、气压伺服、液压伺服等形式；
按执行元件分： 步进伺服、直流伺服、交流伺服等形式。 开环伺服系统大多采用步进电机、闭环和半闭环伺服
系统大多采用直流伺服电机和交流伺服电机。
对不同的机电一体化设备，伺服系统驱动部 件时所需功率的差异很大。在确定驱动方式时， 一般从输出功率与响应频率两个方面综合选择。
机电装备设计第五章
功率器件的开关频率决定了调制角波的频率。普 通晶闸管的换流能力较差，其开关频率一般不超过 300～500Hz，电力晶体管GTR开关频率为1～5kHz； 可关断晶闸管GTO开关频率为1～2kHz；功率场效应 管MOSFET开关频率在20kHz；绝缘栅式双极晶体管 IGBT有很好的高速开关特性(断开时间减少到0.15μs) 和低饱和电压特性(饱和电压2.2v)，是当今最引人 注目的功率驱动电力电子器件。如今耐压达3000v， 电流达1500A的大功率IGBT已经商品化。
可靠性高，寿命长； (5)、灵敏度 系统对参数变化的灵敏度要小，即系统
性能不因参数变化而受到太大的影响； (6)、抗干扰性 系统应具有良好的抵抗外部负载干扰
和高频噪声的能力等； (7)、方便性 调整、维护方便。
5.1.2 伺服系统分类
按其控制原理分： 开环、全闭环和半闭环控制三种形式；
按其被控量的性质分： 速度、位置、同步、扭矩控制等形式；
环形脉冲分配器将脉冲信号按一定的逻辑关系 加到脉冲放大器上，进行功率放大，然后驱动 步进电机。
1.主要静态特性
1）静态矩角特性 定义：静态时（步进电机某相绕组通电时，
转子处于不动状态），电磁转矩T（静态转矩）
与失调角θ之间的关系，即T＝f（θ）。
2）最大静态转矩Tmax
即静态矩角特性的电磁转矩