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机 电 一 体 化 技 术

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  1. 机 电 一 体 化 技 术 • 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

  2. 伺服系统 机电一体化技术 定 义 伺服系统(Feed Servo System) 以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。

  3. 位置控制 速度控制 位置 指令 + 位置控制调节器 速度控制 调节器 功率驱动 + -- — — 机械传动机构 实际速度反馈 速度检测 电机 实际位置反馈 位置检测 伺服系统 机电一体化技术 伺服系统组成 • 伺服系统组成

  4. 伺服系统 机电一体化技术 伺服系统组成 • 基本工作原理 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。

  5. 伺服系统 机电一体化技术 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0.01~0.001mm,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。

  6. 伺服系统 机电一体化技术 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

  7. 伺服系统 机电一体化技术 开环伺服系统 • 开环伺服系统组成 脉冲串 控制器 步进驱动装置 相电压 方向脉冲 步进电机

  8. 伺服系统 机电一体化技术 开环伺服系统 • 开环伺服系统特点 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。

  9. 伺服系统 机电一体化技术 半闭环伺服系统 • 半闭环伺服系统组成 位置 指令 + 位置控制调节器 速度控制 调节器 功率驱动 + — — 实际速度反馈 实际位置反馈 信号处理 编码器 伺服电机

  10. 伺服系统 机电一体化技术 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。

  11. + 位置控制调节器 速度控制 调节器 功率驱动 + — — 实际速度反馈 速度检测 测速发电机或编码器 伺服电机 实际位置反馈 位置检测 伺服系统 机电一体化技术 闭环伺服系统 • 闭环伺服系统组成 位置 指令

  12. 伺服系统 机电一体化技术 闭环伺服系统 • 闭环伺服系统特征 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。

  13. 伺服系统 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

  14. 总线 总线 CNC 第 n 轴伺服单元 第 1 轴伺服单元 …… SM SM …… PC PC 伺服系统 机电一体化技术 全数字式伺服系统 • 全数字式伺服系统组成 总线 总线 控制器 第 n 轴伺服单元 第 1 轴伺服单元 …… SM SM …… PC PC

  15. 伺服系统 机电一体化技术 全数字式伺服系统 • 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

  16. 伺服系统 机电一体化技术 全数字式伺服系统 总线 驱动装置 显示设定窗口 控制器 三相电源进线 伺服电机三相电源 编码器信号线

  17. 伺服系统 机电一体化技术 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。

  18. 主站 主站 主站 从站 从站 从站 伺服系统 机电一体化技术 全数字式伺服系统中的现场总线 计算机1 计算机2 控制器 …… 变频器 伺服驱动 PLC

  19. 伺服驱动 控制器 SM PC SERCOS接口 伺服数据 主站同步数据 指令数据 … MST AT1 AT2 ATn MDT MST 指令周期 伺服系统 机电一体化技术 全数字式伺服系统中的现场总线 SERCOS接口 SERCOS是串行实时通信协议(Serial Real Time Communication Specification)。SERCOS采用光纤传输数据,适用于分布式多轴运动的数字控制。

  20. 伺服系统 机电一体化技术 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。

  21. v、a v a O t ta 伺服系统 机电一体化技术 伺服系统参数 v v、a a O t t2 t1 ta 指数加减速 线性加减速

  22. 伺服系统 机电一体化技术 伺服系统参数 • 阻尼 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 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。

  23. 伺服系统 机电一体化技术 伺服系统参数 • 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 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。

  24. 伺服系统 机电一体化技术 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

  25. 伺服系统 机电一体化技术 机电匹配 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。

  26. v、T 制动 t3 停止 t4 起动 t1 运动 t2 v T1 T2 O t T4=0 T3 伺服系统 机电一体化技术 伺服电机运行模式

  27. 伺服系统 机电一体化技术 伺服电机运行模式 制动 t5 v、T 减速t3 停止 t6 起动 t1 快进 t2 工进t4 v1 T1 T 4 v2 T2 O t T6=0 T3 T 5

  28. 伺服系统 机电一体化技术 伺服电机运行模式 v、T 制动 t2 停止 t3 起动 t1 T1 O t T3=0 T2

  29. 伺服系统 机电一体化技术 伺服电机运行模式 有效负载转矩

  30. 伺服系统 机电一体化技术 机电匹配实例 m=500kg(工作台、工件) 工件 fd=0.065 工作台 Jz2=30kgcm2 ts=8mm、Js=100kgcm2 i=0.86 fs=0.3 Jz1=20kgcm2 t4=1s v、T 传动效率η=0.9 t3=0.5s t1=0.5s t2=4s v T1 T2 O t T4=0 T3

  31. 伺服系统 机电一体化技术 机电匹配实例 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 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

  32. 伺服系统 机电一体化技术 机电匹配实例 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 6.结论 因为 TN>Te 所以 电机选择符合要求 5.有效负载转矩 Ncm=2.6Nm

  33. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEM • 系统组成及连接

  34. Current command loop pass filter Current Current command notch filter Feed forward gain Feed forward command Low pass filter Pulse train type Acceleration/deceleration time Electronic gear Position loop gain Speed loop proportional gain integral time constant Frequency quadruplier 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEM • 伺服系统组成 SM PC Command pulse + + + + - - AB Output pulse frequency division

  35. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 SANYO BL Super P series AC SERVO SYSTEM • 用户参数设定

  36. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 PMAC运动控制器 总线:PC、VME、STD32、 PCI、PC104 电机类型:直流伺服电动机、交流伺服电动机(BLDCM、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BASIC ASICⅡ命令)、G代码 • 简 介 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。

  37. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 • 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。

  38. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 • 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。

  39. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 • 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

  40. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 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)

  41. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 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

  42. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 • 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。

  43. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 **************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

  44. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 **************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

  45. 伺服系统 机电一体化技术 实 例 介 绍 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