1，電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

 1．1 電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的組成 電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、減 速器、滾珠絲杠副、軸承組等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所 示。電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理 是通過(guò)減速器將電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)滾珠絲杠副的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為負(fù)載 的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制將伺服電 機(jī)精確的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、扭矩控制轉(zhuǎn)變成負(fù)載機(jī)構(gòu)的精 確速度、位置、推力控制，從而實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)。

這種電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮的特點(diǎn)是：在運(yùn) 動(dòng)全過(guò)程中能夠通過(guò)斷電勵(lì)磁制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)鎖定功能； 可實(shí)時(shí)反饋伸出行程，運(yùn)行中間位置停止，重新起動(dòng) 后反饋當(dāng)前的絕對(duì)位置；當(dāng)指令行程超出極限位置 時(shí)，能夠給I／O端口提供故障反饋信號(hào)，以及過(guò)壓、過(guò) 熱保護(hù)、極限限位等功能，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和可靠性 ，而且節(jié)約了使用成本。

 1．2 電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng) 該電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、DSP主 控電路、驅(qū)動(dòng)電路、主電路、信號(hào)檢測(cè)電路(速度、位 置、電流、溫度反饋)組成，如圖2所示。

位置信號(hào)由上位機(jī)給出，速度信號(hào)由位置信號(hào)計(jì) 算得出。主控芯片選用 TI公 司生產(chǎn) 的高性能的 Delfino系列32位單精度浮點(diǎn) DSP，其具有 200 MHz 的主頻，單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)、三角數(shù)學(xué)運(yùn)算 單元(TMU)、維特比復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算單元(VCU)、可編 程控制律加速器 (CLA)、1MB Flash、2 CAN、20個(gè) ADC(可配置為 16_bit模式或 12_bit模式)輸人通 道，還集成了多種外設(shè)。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全數(shù)字三閉環(huán)控制 J，上位 機(jī)給出位置信號(hào)，位置傳感器(光電式多圈絕對(duì)值編 碼器)通過(guò)測(cè)量絲杠旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，反饋電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)推 桿行程，得到伺服機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，經(jīng)過(guò)微分計(jì)算得 到速度信號(hào)，通過(guò)速度環(huán)與電流環(huán)產(chǎn)生一定脈寬占空 比的 PWM波驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)，然后通過(guò)減速器與滾珠 絲杠副的作用使推桿作直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，溫度信號(hào) 反饋至 DSP，進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和過(guò)溫保護(hù)。

 1．3 伺服電機(jī)的冷卻系統(tǒng) 伺服電機(jī)的冷卻系統(tǒng)(如圖3所示)屬于空氣強(qiáng) 制冷卻，特點(diǎn)是不僅可同時(shí)冷卻電機(jī)主體和斷電勵(lì)磁 制動(dòng)器，而且在電機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇都能起到冷卻作 用。其中起關(guān)鍵作用是雙向離心冷卻風(fēng)扇，如圖4所 示：中心是風(fēng)扇與軸的配合孔和鍵槽 ；左側(cè)徑向方向 外圓處設(shè)計(jì)了對(duì)稱圓弧槽，弧形槽 自左到右有一定縮 減弧度，總共有 8個(gè)，中心圓環(huán)槽的目的是減重；右側(cè)有4個(gè)突起，自身對(duì)稱，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生少量的風(fēng)，有 8個(gè) 減重槽 ；冷卻風(fēng)扇中間圓盤面，將電機(jī)主體的冷卻空 氣和斷電勵(lì)磁制動(dòng)器的冷卻空氣隔離兩側(cè)，它的直徑 比安裝筒的直徑小 1 mm，這樣既滿足了安裝要求，也 能使雙向離 1、5,冷卻風(fēng)扇的效率達(dá)到更高。

冷卻系統(tǒng)工作原理：電機(jī)啟動(dòng)后，在左側(cè)，冷卻空 氣迅速地從電機(jī)蒙皮上的兩排進(jìn)氣孔(每排 60個(gè)) 進(jìn)入，并沿著蒙皮下電機(jī)主體上的多條螺旋冷卻槽 (增加接觸面積)流到電機(jī)軸帶動(dòng)的雙向離心風(fēng)扇端 面，帶走電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生傳導(dǎo)在電機(jī)殼上的大部分熱 量，隨后在風(fēng)扇離心力的作用下甩出電機(jī)；在右側(cè)電 機(jī)安裝制動(dòng)器的端面開(kāi)有幾個(gè)扁孔，冷卻空氣由扁孔 進(jìn)入沿著制動(dòng)器與安裝筒座的縫隙被冷卻風(fēng)扇吸人， 帶走制動(dòng)器產(chǎn)生 的熱量，最后在離心力作用下排 出電機(jī)。

 2 ，電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算 根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工況，得出電動(dòng)伺服機(jī) 構(gòu)輸出主要性能要求如表 1所示。

伺服機(jī)構(gòu)絲杠副驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 絲杠受到的推拉力：F =28 000 N 絲杠螺母承受的轉(zhuǎn)矩： = + 1 F ·Ph 1 O00r／ 21T ： ． 二 27r 1 000叼 ≥ 式中： 為絲杠副的摩擦力矩； 為絲杠副預(yù)緊力 矩；Ph為絲杠導(dǎo)程； 為絲杠預(yù)緊力；叩 為絲杠傳動(dòng)。

絲杠螺母齒輪受到的轉(zhuǎn)矩 1 絲杠螺母齒輪受到的轉(zhuǎn)矩：T．= -七 r／12．3 減速比 傳動(dòng)系統(tǒng)選用電機(jī)經(jīng)一級(jí)斜 圓柱 輪減速驅(qū) 動(dòng)絲杠副的結(jié)構(gòu)。 絲杠螺母的轉(zhuǎn)速．，2 = h 此設(shè)計(jì)選用一級(jí)斜 網(wǎng)柱齒輪傳動(dòng)， ．為主動(dòng) 斜齒輪齒數(shù)，z，為從動(dòng)斜齒輪 數(shù)。 r， 減速比 i= L 1 2．4 電機(jī)參數(shù) I 根據(jù)功率計(jì)算公式：P=F·t ·__I ? 叼 式中，伺服機(jī)構(gòu)輸出推托力 F=F =28 000 N，伺 服機(jī)構(gòu)額定輸出速度 350 IllI'll／S。 電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中，總共使用了2組軸 承，軸承效率 為0．98；l級(jí)斜芮齒輪傳動(dòng)效率 77 為 0．95。 總傳動(dòng)效率： =r／ ·叼 ·叼 1 將總傳動(dòng)效率帶入，得電機(jī)功率：P=F· · 叩 電機(jī)實(shí)際額定轉(zhuǎn)速 1=i ，l 一11 000 r／min 根據(jù)以上分析計(jì)算知，所設(shè)計(jì)伺服機(jī)構(gòu)輸出均滿 足要求 3 初步控制系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證 通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行初步實(shí)際調(diào)試，可 得卒載時(shí)的階躍指令響應(yīng)曲線如 5所示?？梢?jiàn)響 應(yīng)時(shí)問(wèn)短速度快，在允許范同內(nèi)基本沒(méi)有超調(diào)，控制 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好。