伺服系统的执行元件

Ra C eC m
2
Tm
24
(2)在静态特性方程中，如果把角速度ω看作是Ua的函数， 即ω ＝f／(Ua)，则可得:

Ua Ce Ra C eC m
2
Tm

Ua Ce
kT m
25
(五)影响静态特性的因素 1．功放电路对机械特性的影响 由于采用功放电路供电（内阻Ri），因而加在电枢绕组两 端的电压Ua ，并不等于控制电压Uc。
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(三)步进电动机的主要参数及特性 1．步距误差 是指空载时实测的步距角与理论的步距角之差。它反映了 步进电动机角位移的精度。 国产步进电动机的步距误差一般在±10′～±30′范围内 ，精度较高的步进电动机可达±2′～±5′。 2．最大静转矩 是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时， 所能承受的最大外加转矩，即所能输出的最大电磁转矩。 反映了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能 力。 3．启动矩频特性 是指步进电动机在有外加负载转矩时，不失步地正常启动 所能接受的最大阶跃输入脉冲频率(又称启动频率)与负载 转矩的对应关系。
0
Ua C e
2)当ω＝0，即启动或堵转时，
Tm Td
Cm Ra
Tm
Td称为启动转矩或堵转转矩，其值也与电枢电压成正比。
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(1)在静态特性方程中，如果把角速度ω看作是电磁转矩Tm 的函数，即ω ＝f／(Tm)，则可得:

Ua Ce Ra C eC m
2
Tm
0
7
3．气压式 主要有气缸、气马达等，其优点是气源方便、成本低、动 作快，但输出功率小，体积大、工作噪声大，且难于伺服 控制。 二、伺服系统对执行元件的要求 1．惯性小、动力大 2．体积小、质量轻 3．便于计算机控制 4．成本低、可靠性好、便于安装和维修。
8
三、步进电动机 步进电动机又称电脉冲马达，它实质上也是一种数模转换 装置，被广泛应用于开环控制的伺服系统中。 (一)步进电动机的工作原理
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7．最大相电压和最大相电流 分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电 压和流过的最大电流。
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四、直流伺服电动机 直流伺服电动机具有响应迅速、精度和效率高、调速范围 宽、负载能力大、控制特性优良等优点，被广泛应用在闭 环或半闭环控制的伺服系统中。 (一)直流伺服电动机的基 本结构及工作原理 直流伺服电动机 也主要由磁极、 电枢、电刷及换 向片等三部分组 成。
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电枢回路中的动态电压平衡方程为：
La di a dt I a Ra ea u a
在过渡过程中，直流伺服电动机的动态转矩平衡方程为：
Tm T1 J d dt
31
Tm C m i a
Tm T1 J d dt
ia
T1 Cm
La di a dt

J
d
C m dt
9
转动方向： 如果按A—B—C—A—…连续向各相绕组供电，则步进电 动机将按逆时针方向连续旋转。反之如果按A—C—B— A—…供电，步进电动机将按顺时针方向旋转。如果改变 绕组的通断电频率，则可改变步进电动机的转速。 步距角：每通断电一次，步进电动机转过30°，称为一个 步距角。 (二)步进电动机的通电方式和步距角
j d s ( s ) j s ( s ) ( s ) K mU a ( s )
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90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线
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4．启动惯频特性 是指步进电动机带动纯惯性负载启动时，启动频率与转动 惯量之间的关系。
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5．运行矩频特性 是指步进电动机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系 。***选用步进电动机时，应使实际应用的运行频率与负 载转矩所对应的运行工作点位于运行矩频特性之下，才能 保证步进电动机不失步地正常运行。***
如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍， 每拍中只有一相绕组通电，其余断电，这种通电方式称为 单相通电方式。三相步进电动机的A、B、C三相轮流通 电一次共需三拍，称为一个通电循环，相应的通电方式又 称为三相单三拍通电方式。
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如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电 ，这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用 双相通电方式时，每个通电循环也需三拍，因而又称为三 相双三拍通电方式，即AB—BC—CA—AB—…。 如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相 通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相 步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中 共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式，即A—AB— B—BC—C—CA—A—…。 一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相 通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式可分别 称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。
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第二节 伺服系统中的执行元件
一、执行元件的特点及类型 执行元件是位于电气控制装置和机械执行装置接点部位的 种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各 种形式的能量转换成机械能。 伺服系统中所用到的执行元件主要有下述几类： 1．电气式 主要有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等 2．液压式 主要有液压缸、液压马达等，其优点是输出功率大、动作 平稳，但需要相应的液压源，占地面积大，容易漏油而污 染环境，控制性能不如伺服电动机。
j d
d
2
dt
2

d
j
dt
K mua
Ra C eC m
2
T1
(2)在空载条件下，即T1＝0时，上式还可进一步简化成
j d
d
2
dt
2

d
j
dt
K mua
33
j d
d
2
Байду номын сангаас
dt
2

d
j
dt
K mua
对上式进行拉氏变换得：
I a Ra ea u a
JL a d
2
C m dt
j
2

JR a d C m dt
La Ra
Ce
1 Ce
La
dT 1
C m dt

Ra Cm
T1 u a
JR a C eC m
2
, d
,Km
j d
d
2
dt
2

d
j
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(四)直流伺服电动机的静态特性 指电动机在稳态情况下工作时，其转子转速、电磁力矩和 电枢控制电压三者之间的关系。
E a U a I a Ra Ea Ce Tm C m I a

Ua Ce Ra C eC m
2
Tm
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根据静态特性方程，可得出直流伺服电动机的两种特殊运 行状态： 1)当Tm＝0，即空载时，
4
(二)精度 伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程 度。 伺服系统工作过程中通常存在着三种误差，即动态误差、 稳态误差和静态误差。 稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往 往是一个振荡衰减的过程，在动态响应过程中输出量与输 入量之间的偏差称为系统的动态误差。 在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后， 输出量对输入量的偏差可能会继续存在，这个偏差称为系 统的稳态误差。 由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统 输出量对输入量的偏差，这个偏差称为系统的静态误差。
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(二)直流伺服电动机的类型及特点 1.直流伺服电动机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他 励式两类，它们的性能相近。 2.直流伺服电动机按电枢的结构与形状可分成平滑电枢型 、空心电枢型和有槽电枢型等。 3.直流伺服电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯 量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。 (三)直流伺服电动机的控制方式 直流伺服电动机的控制方式主要有两种： 一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过 控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速 和输出转矩； 另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改 变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。
dt
K mua
Ra C eC m
2
T1
La C eC m
dT 1
2 32
dt
j d
d
2
dt
2

d
j
dt
K mua
Ra C eC m
2
T1
La C eC m
2
dT 1 dt
式中， j 和 d 分别称为直流伺服电动机的机电时间常 数和电磁时间常数，反映两种过渡过程时间长短的参数； Km称为直流伺服电动机的静态放大系数 (1)当直流伺服电动机带有恒定负载时，则dT1/dt＝0，于 是上式可简化成：
2.伺服系统还可被 看作是由电气控制 装置和机械执行装 置两大部分组成.
2
三、伺服系统的基本类型 1.按被控量的不同可将伺服系统分成位置、速度、力等伺 服系统，其中最常见的是位置伺服系统，如数控机床的伺 服进给系统等。 2.按所采用的执行元件的不同可将伺服系统分成电气、液 压、气动等伺服系统。电气伺服系统采用伺服电动机作为 执行元件，在机电一体化产品中应用比较广泛。 3.按控制方式的不同可将伺服系统分成开环、闭环、半闭 环等伺服系统。
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步进电动机的矩频特性：步进电动机输出转矩与输入脉冲 频率的关系。
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所谓步距角，是指步进电动机每一拍转过的角度。一个m 相步进电动机，如其转子上有z个齿，则其步距角α可通过 下式计算： 0 360 kmz 式中，k是通电方式系数， (1)当采用单相或双相通电方式时，k＝1， (2)当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。