1，電動伺服機構(gòu)總體設(shè)計

 1．1 電動伺服機構(gòu)的組成 電動伺服機構(gòu)主要由伺服電機、電機驅(qū)動器、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。電動伺服機構(gòu)的傳動原理 是通過減速器將電 機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)滾珠絲杠副的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為負(fù)載 的直線運動，同時利用伺服電機的閉環(huán)控制將伺服電 機精確的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、扭矩控制轉(zhuǎn)變成負(fù)載機構(gòu)的精 確速度、位置、推力控制，從而實現(xiàn)高精度直線運動。

這種電動伺服機構(gòu)設(shè)計主要考慮的特點是：在運 動全過程中能夠通過斷電勵磁制動器實現(xiàn)鎖定功能； 可實時反饋伸出行程，運行中間位置停止，重新起動 后反饋當(dāng)前的絕對位置；當(dāng)指令行程超出極限位置 時，能夠給I／O端口提供故障反饋信號，以及過壓、過 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 電動伺服機構(gòu)的控制系統(tǒng) 該電動伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)主要由上位機、DSP主 控電路、驅(qū)動電路、主電路、信號檢測電路(速度、位 置、電流、溫度反饋)組成，如圖2所示。

位置信號由上位機給出，速度信號由位置信號計 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 DSP，其具有 200 MHz 的主頻，單精度浮點運算單元(FPU)、三角數(shù)學(xué)運算 單元(TMU)、維特比復(fù)雜數(shù)學(xué)運算單元(VCU)、可編 程控制律加速器 (CLA)、1MB Flash、2 CAN、20個 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)計采用全數(shù)字三閉環(huán)控制 J，上位 機給出位置信號，位置傳感器(光電式多圈絕對值編 碼器)通過測量絲杠旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，反饋電動伺服機構(gòu)推 桿行程，得到伺服機構(gòu)的實際位置，經(jīng)過微分計算得 到速度信號，通過速度環(huán)與電流環(huán)產(chǎn)生一定脈寬占空 比的 PWM波驅(qū)動控制電機，然后通過減速器與滾珠 絲杠副的作用使推桿作直線運動驅(qū)動負(fù)載，溫度信號 反饋至 DSP，進(jìn)行電機運行狀態(tài)檢測和過溫保護(hù)。

 1．3 伺服電機的冷卻系統(tǒng) 伺服電機的冷卻系統(tǒng)(如圖3所示)屬于空氣強 制冷卻，特點是不僅可同時冷卻電機主體和斷電勵磁 制動器，而且在電機正、反轉(zhuǎn)時風(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)計了對稱圓弧槽，弧形槽 自左到右有一定縮 減弧度，總共有 8個，中心圓環(huán)槽的目的是減重；右側(cè)有4個突起，自身對稱，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生少量的風(fēng)，有 8個 減重槽 ；冷卻風(fēng)扇中間圓盤面，將電機主體的冷卻空 氣和斷電勵磁制動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：電機啟動后，在左側(cè)，冷卻空 氣迅速地從電機蒙皮上的兩排進(jìn)氣孔(每排 60個) 進(jìn)入，并沿著蒙皮下電機主體上的多條螺旋冷卻槽 (增加接觸面積)流到電機軸帶動的雙向離心風(fēng)扇端 面，帶走電機內(nèi)部產(chǎn)生傳導(dǎo)在電機殼上的大部分熱 量，隨后在風(fēng)扇離心力的作用下甩出電機；在右側(cè)電 機安裝制動器的端面開有幾個扁孔，冷卻空氣由扁孔 進(jìn)入沿著制動器與安裝筒座的縫隙被冷卻風(fēng)扇吸人， 帶走制動器產(chǎn)生 的熱量，最后在離心力作用下排 出電機。

 2 ，電動伺服機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)計算 根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求和實際工況，得出電動伺服機 構(gòu)輸出主要性能要求如表 1所示。

伺服機構(gòu)絲杠副驅(qū)動轉(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。

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 傳動系統(tǒng)選用電機經(jīng)一級斜 圓柱 輪減速驅(qū) 動絲杠副的結(jié)構(gòu)。 絲杠螺母的轉(zhuǎn)速．，2 = h 此設(shè)計選用一級斜 網(wǎng)柱齒輪傳動， ．為主動 斜齒輪齒數(shù)，z，為從動斜齒輪 數(shù)。 r， 減速比 i= L 1 2．4 電機參數(shù) I 根據(jù)功率計算公式：P=F·t ·__I ? 叼 式中，伺服機構(gòu)輸出推托力 F=F =28 000 N，伺 服機構(gòu)額定輸出速度 350 IllI'll／S。 電動伺服機構(gòu)在傳動過程中，總共使用了2組軸 承，軸承效率 為0．98；l級斜芮齒輪傳動效率 77 為 0．95。 總傳動效率： =r／ ·叼 ·叼 1 將總傳動效率帶入，得電機功率：P=F· · 叩 電機實際額定轉(zhuǎn)速 1=i ，l 一11 000 r／min 根據(jù)以上分析計算知，所設(shè)計伺服機構(gòu)輸出均滿 足要求 3 初步控制系統(tǒng)仿真及試驗驗證 通過對伺服電機控制系統(tǒng)進(jìn)行初步實際調(diào)試，可 得卒載時的階躍指令響應(yīng)曲線如 5所示?？梢婍?應(yīng)時問短速度快，在允許范同內(nèi)基本沒有超調(diào)，控制 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好。