机电一体化技术

机电一体化技术机电一体化技术

伺服系统伺服系统伺服系统定义伺服系统组成伺服系统要求及分类开环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统全数字式伺服系统现场总线伺服系统参数机电匹配伺服电机运行模式

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术定义定义

以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。

伺服系统（ Feed Servo System ）

位置指令位置控制

调节器速度控制

调节器

速度检测

位置控制速度控制+

— --

电机

机械传动机构

实际位置反馈

实际速度反馈

功率驱动

位置检测

—

+

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术伺服系统组成伺服系统组成

伺服系统组成

位置检测装置将检测到的移动部件的实际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进行比较，将两者的差值进行位置调节，变换成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术伺服系统组成伺服系统组成

基本工作原理

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术伺服系统要求伺服系统要求

1. 调速范围要宽且要有良好的稳定性（在调速范围内）调速范围： RN=Fmax/Fmin

一般要求： RN ＞ 1000 ，且 0.1 mm/min ≤ Fmin ＜ 1 mm/min

稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。

2. 位置精度高实际位移与指令位移的差值要小。位置精度一般为 0.0

1 ～ 0.001mm ，甚至可高至 0.1μm 。

3. 稳定性好即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰的情况下，输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。 4. 动态响应快即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短，一般要求在 200 ～ 100ms ，甚至小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术伺服系统分类伺服系统分类

伺服系统是一个位置随动系统，按有无位置检测和反馈有以下三种：

开环伺服系统半闭环伺服系统闭环伺服系统

步进电机

步进驱动装置

控制器

脉冲串

方向脉冲相电压

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统

开环伺服系统组成

由控制器送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，驱

动步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件，无需位置检测装置。系统的位置精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。位置精度较低，其定位精度一般可达 ±0.02mm 。如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到 ±0.01mm 。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制，在脉冲当量为 0.01mm 时，一般不超过 5m/min 。

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术开环伺服系统开环伺服系统

开环伺服系统特点

位置控制调节器

速度控制调节器

信号处理

+

—

实际位置反馈

实际速度反馈

功率驱动—

+

编码器

伺服电机

位置指令

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统

半闭环伺服系统组成

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术半闭环伺服系统半闭环伺服系统

半闭环伺服系统特点

将检测装置装在伺服电机轴或传动装置末端，间接测量移动部件位移来进行位置反馈的进给系统称为半闭环伺服系统。在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作为一个整体，编码器完成角位移检测和速度检测，用户无需考虑位置检测装置的安装问题。这种形式的半闭环伺服系统在机电一体化设备上得到广泛的采用。

位置指令位置控制

调节器速度控制

调节器

速度检测

+

—

实际位置反馈

实际速度反馈

功率驱动

位置检测

—

+

伺服电机

测速发电机或编码器

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统

闭环伺服系统组成

将检测装置装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来进行位置反馈的进给系统称为闭环伺服系统。闭环伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服系统只能补偿部分误差，因此，半闭环伺服系统的精度比闭环系统的精度要低一些。由于采用了位置检测装置，所以，闭环进给系统的位置精度在其他因素确定之后，主要取决于检测装置的分辨率和精度。闭环和半闭环伺服系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上较开环进给系统复杂。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定的因素，因此，闭环和半闭环系统的设计和调试都较开环系统困难。

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术闭环伺服系统闭环伺服系统

闭环伺服系统特征

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统全数字式伺服系统

在全数字式伺服系统中，控制器直接将位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置和速度控制功能。

控制器与伺服驱动装置之间通过总线相互传递如下信息：

位置指令和实际位置

速度指令和实际速度

转矩指令和实际转矩

伺服系统及伺服电机参数

伺服状态和报警

全数字式伺服系统

CNC 第 n 轴伺服单元第 1 轴伺服单元

……

……

SM

PC

总线总线

SM

PC

控制器第 n 轴伺服单元第 1 轴伺服单元

……

……

SM

PC

总线总线

SM

PC


全数字式伺服系统组成


全数字式伺服系统特点1. 系统的位置、速度和电流环节的调整由软件实现。

2. 具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、温度漂移、噪声及抗干扰等方面都优于模拟式伺服系统。

3. 引入前馈控制，构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构。

4. 由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，极大地减小了连接电缆，便于设备安装和维护，提高了系统可靠性，同时通过显示终端实时监控伺服状态。当前，全数字式交流伺服系统在机电一体化设备驱动中得到了广泛应用。全数字式交流伺服可作速度、转矩和位置控制，接受指令脉冲或模拟电压指令信号，并自带位置环，具有丰富的自诊断、报警功能。各控制参数通过以下方法用数字方式设定：通过驱动装置上的显示器和按键进行设定通过驱动装置上的通信接口与上位机通信进行设定通过可分离式编程器和驱动装置上的接口进行设定


控制器

总线驱动装置显示设定窗口

编码器信号线

三相电源进线

伺服电机三相电源

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统中的现场总线全数字式伺服系统中的现场总线

PROFIBUS 现场总线

PROFIBUS （ Process Fildbus 的缩写）是一种国际性的、开放式的现场总线标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为他们生产的设备提供 PROFIBUS 接口。 PROFIBUS 可使分散式数字控制器从现场底层到车间级网络化，整个网络系统分为主站和从站。主站组成令牌环网，发送权以令牌形式在主站之间循环，得到令牌的主站再将令牌沿环传递给下一个主站，在这一确定的时间内，可以任意发送或接受其他总线设备的信息。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息；从站为外围设备，包括输入输出装置、驱动装置和测量变送器等，从站没有总线控制权。仅对接受到的信息给予确认，或当主站发出请求时向主站发送信息。

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术全数字式伺服系统中的现场总线全数字式伺服系统中的现场总线

主站主站主站

从站从站从站 ……

控制器计算机 1 计算机 2

PLC 变频器伺服驱动

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术

SERCOS 是串行实时通信协议（ Serial Real Time Communication Specificatio

n ）。 SERCOS 采用光纤传输数据，适用于分布式多轴运动的数字控制。

全数字式伺服系统中的现场总线全数字式伺服系统中的现场总线

SERCOS 接口

控制

器伺服驱

动

SERCOS 接口

SM PC

MST MSTMDTAT1 AT2 ATn…

主站同步数据指令数据

伺服数据

指令周期

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术伺服系统参数伺服系统参数

增益调整增益是伺服系统的重要指标之一，它对稳态精度和动态性能都有很大的影响，增益大，则系统响应快，稳态误差小。但并非系统的增益越高越好，当速度突变时，高增益可能导致输出变化剧烈，机械装置要受到较大的冲击，影响系统的稳定性。

加减速时间设定加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大，系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加减速升降速时间。


ta

a

v

tO

v 、a

a

v

t

v 、a

O

ta

t1t2

线性加减速指数加减速


阻尼

刚度

运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率，系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。

刚度为使弹性体产生单位变形量所需的作用力。对闭环伺服系统而言，刚度越大，稳定性越好。广义讲，传动机构的间隙也是影响刚度大小的重要因数。间隙的主要形式有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙以及联轴器的扭转间隙等，必须采取消隙措施，以提高传动刚度。


谐振对于质量为 m 、抗压刚度系数为 k 的单自由度直线运动系统，其固有频率 ω 为

对于转动惯量为 J 、扭转刚度系数为 k 的单自由度旋转运动系统，其固有频率 ω 为

m

k

2

1

J

k

2

1

当外界的激振频率接近或等于系统的固有频率时，系统将产生谐振而不能正常工作。机械部件的谐振频率必须大于电气驱动部件的谐振频率。

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术机电匹配机电匹配

电动机的输出功率在产品样本或铭牌上都有明确表示。在一般情况下，设计者在选用电动机时，只要从电动机的输出功率、转速、保护方式三方面考虑选择电动机就可以了。但在伺服驱动中，还必须考虑伺服驱动机械负载特性。在伺服驱动中，它所带的负载大多为恒转矩负载，在转速改变时，其负载转矩基本不变。这就是说，在使用中只要转矩为额定值，即使转速不同，温升变化也不大，说明电动机处于额定运行，这时的输出功率即为额定功率。即伺服电动机在出厂时给出额定转矩后，其额定功率都是由用户决定的，这一点与选用普通的电动机是由很大区别的。伺服电动机很少工作在恒速运行状态，而多数是工作在频繁的起动 -停止状态，在加速和减速时必须输出 3~5倍的额定转矩，电流也成比例地上升，电动机的发热近似与电流平方成比例。在样本或铭牌上给出的输出功率是指电动机在额定转速下连续运行时，温升不超过规定时的输出功率。这一功率是按可以稳定运行的最大转速和额定转矩计算出来的。在选择伺服电动机时，不能单纯从电动机负载所需的功率出发，还必须充分考虑负载机械所要求的运动模式和转矩模式，用不同的控制方式可以实现不同的运动模式

计算机械系统的等效惯量。从伺服电动机的运动模式和转矩模式来看，在大多数情况下是处于过渡过程状态之中，除了要考虑增大电流和功率之外，还必须充分考虑过渡过程的快速性问题。应该考虑计算负载的转动惯量及电动机转子的转动惯量大小问题。从转子惯量大小来看，伺服电动机一般可分为超低惯量、低惯量、中惯量等几个档次。在负载机械起、制动频繁的场合，可选惯量小一些的伺服电动机，在要求低速运行平稳而又不频繁起、制动时，则宜选择惯量值较大的伺服电动机。另外，折算到电动机轴上的负载等效惯量通常要限制在2.5倍的电动机惯量之内，使之既保证过渡过程的快速性，又不产生显著的振荡，保持平稳，这也是在选择电动机时要考虑的一个因素。说明书中有选择惯量的推荐值。

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术机电匹配机电匹配

T1

T2

T3

v

v 、 T

tO

起动 t1 运动 t2制动 t3 停止 t4

T4=0

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术伺服电机运行模式伺服电机运行模式

T1

T2

T3

v1

v 、 T

tO

起动 t1 快进 t2 工进 t4停止 t6

减速 t3制动 t5

T 4

T 5

v2

T6=0


T1

T2

v 、 T

tO

起动 t1制动 t2 停止 t3

T3=0


n

ii

n

iii

n

nne

t

tT

tttt

tTtTtTtTT

1

1

2

321

23

232

221

21

...

...

有效负载转矩


m=500kg （工作台、工件）

fd=0.065

ts=8mm 、 Js=100kgcm2

工作台

工件

fs=0.3i=0.86

Jz1=20kgcm2

Jz2=30kgcm2

传动效率 η=0.9 t2=4s

T1

T2

T3

v

v 、T

tO

t1=0.5s

T4=0

t3=0.5s

t4=1s

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术机电匹配实例机电匹配实例

1.额定转矩计算

1 ）工作台运动所需的转矩 Tp=67.5Ncm

2 ）丝杠预紧后的附加转矩 Ts=4.1Ncm

总负载转矩 TL=Tp+Ts=71.6Ncm

2.惯量计算

1 ）运动部件折算到电机轴上的等效惯量 JpD=23.6kgcm2

2 ）丝杠和齿轮折算到电机轴上的等效惯量 JsD=96.1kgcm

电机轴上总等效惯量 JD=JpD+JsD+

Jz2=139.7kgcm2

3. 电机选择

1 ）电机转子惯量 JM=356.7kgcm2

JM/JD=356.7/139.7=2.55 ＞ 2.5

（符合要求）2 ）负载和电机总惯量

∑J=JD+JM=496.4kgcm2

3 ）电机额定输出转矩 TN=3Nm

4 ）电机转速 nN=750r/min


4. 加减速转矩计算

1 ）加速转矩 T1=292.2Ncm

2 ）匀速转矩 T2=71.6Ncm

3 ）减速转矩 T3=292.2Ncm

5. 有效负载转矩

256.215.045.0

5.0292.246.715.0292.2 222

4321

42

433

322

212

1

tttt

tTtTtTtTTe

6.结论

因为 TN ＞ Te

所以电机选择符合要求


Ncm=2.6Nm

伺服系统伺服系统机电一体化技术机电一体化技术实例介绍实例介绍

SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEM 系统组成及连接


SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEM 伺服系统组成

Pulsetrain type

Electronic gear

Positionloop gain

Acceleration/deceleration time

Speed loopproportionalgain integraltime constant

Currentcommandnotch filter

Currentcommandloop pass filter

Cu

rrent

SM

PC

Frequency

quadruplier

Feed forward gain

Feed forward commandLow pass filter

Output pulsefrequency division

AB

Command pulse ＋

－

＋＋＋

－


SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEM 用户参数设定


PMAC 运动控制器

PMAC 运动控制器是美国 Delta Tau 数字系统公司的产品。借助于 Motorola 的 DSP 56 系列数字信号处理器， PMAC 运动控制器可以同时操纵 1 ～ 8根轴。由于每一根轴都是完全独立的，一个 PMAC 运动控制器可以操纵 8台不同机器的 8

根单轴，或者同一台机器的 8根轴，或者两者之间的任意组合。

总线： PC 、 VME 、 STD

32 、 PCI 、 PC104

电机类型：直流伺服电动机、交流伺服电动机（ BL

DCM 、 PMSM ）、步进电机

反馈：增量式编码器、绝对式编码器、旋转变压器、直线电压位移传感器或电位计、激光干涉仪、磁致伸缩位移传感器

控制码： PMAC （类 BAS

IC ASICⅡ命令）、 G代码

简介


伺服组成框图

速度和加速度前馈可以减小伺服系统的轨迹误差。速度前馈的作用是减少微分增益或测速环路阻尼所引起的跟踪误差；惯性所带来的跟踪误差与加速度成正比，因此可以由加速度前馈来补偿。数字阶式滤波器可以解决机械谐振的问题。


从动控制在车床上加工多线螺纹， PMAC将 Z 轴从动于主轴编码器，使刀具速度跟踪主轴速度，从而得到恒定的螺距，这可以在时基模式下完成。为主轴定义一个 “ 实时”速度，并以此设置时基常数。在主轴运行于实时速度的前提下为从动轴编写程序，时基控制将会自动补偿主轴速度的变化。


从动控制*****************Set-up and Definitions********************

&1 ; Define axes in Coordinate System 1

#1－＞ 10000X ; Motor 1 is X at 10000 cts/in(radial)

#2－＞ 10000Z ; Motor 2 is Z at 10000 cts/in(radial)

spindle encoder has 1024 lines/rev or 4096 cts/rev ,At real-times

speed of 3000 rpm(50 rps),encoder frequency is 204.8 cts/msec

By formula,the time-base constant is 131,072/204.8=640.

WY:1833,640 ; Set time-base constant (at address 1833)

193=1833 ; Tell Coordinate System 1 to use this

; Address as the time-base source


加工一个 5 螺距（每英寸 5 线）螺杆。设主轴转速为 3000r/min ，则切削速度为 10in/s 。为了使刀具与每道螺纹配准（ 20ms/r ），每个循环的程序时间必须精确地为 20ms 的倍数。

*************Motion Program Text************************

OPEN PROG 77 CLEAR ; Prepare buffer 77 for entry

P100=3.00 ; X(radial)dimension of outside of stork

P101=P100 ; Starting location of cut

RAPID X(P100－ 0.1)Z2 ; Move quickly to starting position

WHILE(P101 ＜ 3.10) ； Loop until 0.1 inches deep

P101=P101+0.01 ; Increase depth 0.01 inches deep

TM100 ; 100msec “plunge” time

X(P101) ; Radial axis into siock(“Plunge”)

TM(24*1000/10) ; 24 inches at 10 in/sec(in msec)


Z26 ; Mark threading pass for 24 inches(26-2)

TM60 ; 60 msec retract time

X(P100－ 0.1) ; Retract to just outside of stock

TM(24*1000/30) ; 24 inches at 30 in/sec(in msec)

Z2 ; Reverse move for nest pass

; Total time for moves in loop is

; 100+2400+60+800=3360 msec ， which is an

; exact multiple of 20 msec ， or 1 spindle rev

ENDWHILE ; End of loop

RAPID X0 Z0 ; Return to home position

CLOSE


运动中的位置匹配

在一个传送带上以不均匀间隔传送物品，而在另一个传送带上将它们用等间隔的挡板隔开。利用 PMAC中的位置捕捉寄存器，一旦接收到外部的触发信号，精确的位置就被保存起来，在时基模式下运行以便速度匹配。


**************Set-up and Definitions*************

CLOSE

&1＃ 1－＞ X ; Motor 1 is the X-sxis scaled in counts

M11－＞ Y ： $FFC2.0,1 ; M11 is Machine Input 1

M203－＞ X ： $C007,0,24S ; Encoder 2 captured-position register

M217－＞ X ： $C004,17,1 ; Encoder 2 position-capture flag

1907=2 ; Capture ENC2 on rising edge of flag

1908=0 ; Use HMFL2 to capture ENC2

P1=5000 ; 5000 counts of ENC2 per lug

P2=1325 ; cycle when captured


**************Motion Program Text**************

OPEN PROG 346 CLEAR

INC ; Incremental move mode

SPLINE1 TA 10 ; Cubic spline seamemnts of 10 msec

WHILE(M11=1) ; Loop once per item as long as input set

WHILE(M217=0) ; Loop until photocell is blocked

X(P10) ; P10 is nominal distance in 10 msec

ENDWHILE ; Loop back to check for trigger again

; Found trigger,so caculate and adjust

P3=M203%P1 ; Read captured position of lug conveyor

; and do modulo by counts per lug to find

; out where we are in the lug cycle


P4=P3－ P2 ; Compare to uncorrected position----the

; differences is the error to be made up

X(P10+P4/4) ; Make up first 1 /4 of the error in 10 msec

X(P10+P4/2) ; Make up 1 /2 of the error in 10 msec

X(P10+P4/4) ; Make up last 1 /4 of the error in 10 msec

ENDWHILE ; Loop back for next item

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