夏永胜1，孙国兵1，黎加基2
（1．合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2．柳州柳新汽车冲压件有限公司，广西 柳州 545116）
摘要：介绍了伺服电缸的结构和优势，并运用参数对其进行建模求出传递函数，进而对电缸的动态数学模型进行分析，为研究伺服电缸的快速响应和加工精度提供理论依据。
关键词：伺服电缸；动态数学模型；研究
中图分类号：TP391.7
1 伺服电缸及其在实际中的应用
随着自动化行业的发展，伺服电缸的运用越来越广泛。电缸的工作原理：是运用各种电机（如直流伺服电机、步进电机等）来控制螺杆旋转，通过螺旋机构的螺母带动滑台像气缸、液压缸那样做往复运动。电缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，不同于气缸和液压缸，电缸的行程和压力均可以精确控制，尤其是位置精度能达到0. 01 mm，而且其传动效率可达90%，一般的气缸或者液压缸只能达到50%左右。
本文以江淮5T18变速箱离合器壳体中衬套和空心定位销精密压装工艺为研究对象，说明电缸在实际压装工艺中的重大作用。江淮5T18变速箱离合器壳体结构如图1所示，压现场如图2所示。由于衬套和空心定位销属于薄壁零件，很容易压坏或者压不到位，所以用定位精度非常高的电缸进行压装。然而压装精度的提高不仅取决于整台设备的机械精度，而且
对电缸伺服系统的稳定运行提出了很高的要求。电缸的速度和精度在很大程度上由伺服系统所决定，所以有必要从控制理论出发对电缸伺服系统进行研究，并建立其动态数学模型。
2 电缸建模
本文采用的电缸是北京航天星云的DGSC-30系列，该型号的电缸精度高、响应快、性能稳定可靠，且其结构也是应用非常普遍的，如图3所示。
2.1伺服电缸机械传动系统的建模
为了使数学模型更加接近于实际伺服电缸，根据机械传动结构，将其细分为若干独立部分，考虑每个部分的连接刚度，再根据动力学原理建模。根据合肥工业大学标准工程型汽车变速箱装配线项目的实际伺服电缸，它的机械部分包括行星齿轮减速器、丝杠和螺母，它的传导是由伺服电机输出一定的扭矩经过行星齿轮减速器带动丝杠转动，丝杠将旋转运动转换为螺母的往复直线运动输出力和位移。
2.1.1 交流伺服电缸机械部分的传递函数
将整个机械系统抽象为质量-弹簧-阻尼系统，设J、D、K分别为各轴及螺母负载折算到电机轴上的总转动惯量、等效黏性阻尼系数以及等效总刚度系数，则根据牛顿第二定律可得微分方程：
2.1.2伺服部分的建模以及各参数的整定
通过将伺服系统各个环即电流环、速度环、位置环拆分对其进行建模，每一个环节均有各自的调节器，由于位置环在伺服系统中起决定整个伺服系统的作用，故最后进行整定，将这些环节整合形成整个伺服系统的控制回路。
(1)电流环建模：伺服系统加入电流环是因为电动机的力矩与电枢的电流是成正比的，控制电动机的电枢就等于控制了它的力矩；电流环包括霍尔元件传感器、电流调节器、PWM和伺服电机的线圈电阻和电感，由于反馈通道需要有很高的精度，所以在反馈通道加入滤波器。电流环模型框图如图5所示。
(2)速度环建模：伺服系统的速度环由速度调节器、光电编码、速度环滤波器、伺服电机组成，与电流环不同的是加入了速度调节器和光电编码器、伺服电机部分。速度环模型框图如图7所示。
(3)位置环建模：伺服系统的位置环是评价一个伺服系统的关键环节，它的精度直接决定整个电缸的精度，故要待其他系统参数整定以后再对其单独调节。
位置环的模型与速度环相似，只要在速度环前向通道串联一个位置调节器，这种调节器是一个比例的校正环节。伺服电机输出的是转速，经过机械传动系统后输出位移，即将电机的旋转转换为螺母的位移，位移量经过编码器将角度信息反馈给伺服驱动器。位置环模型框图如图9所示。
2.2参数的计算以及各环节的整定
本文的伺服电缸采用的伺服电机是台达ECMA-07RS型伺服电机，其基本参数如下：额定电压U=110 V，额定电流1=3.66 A，额定输出功率P=O. 75 kW，额定扭矩为2. 39 N．m，额定转速为3 000 r／min，转动惯量为1. 93×10-4kg.m2，电气时间常数为5. 66 ms，扭矩常数Km=-0. 47 N．m/A，电枢电阻R为1.34Ω ，反向电动势系数C，为0. 33 Vs/rad。
2.2.1 电流环的整定
工程上一般将电流环整定成一阶无差系统，其传递函数为：
图10为在Simulink中建立的电缸伺服系统位置环的动态模型，整定出其位置环的增益为0. 183，图11为其阶跃时域响应。从阶跃响应曲线可以看出位置环的整定达到了一定的精度，而且整个系统是稳定的，符合系统稳、准、快的要求。
3结束语
本文对电缸的动态数学模型进行分析，整定出其各个环节的参数并且在Simulink中进行仿真，得出电缸的基本模型，为以后对电缸的研究打下基础。
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