1，电动伺服机构总体设计
1．1 电动伺服机构的组成 电动伺服机构主要由伺服电机、电机驱动器、减 速器、滚珠丝杠副、轴承组等组成，总体结构如图1所 示。电动伺服机构的传动原理 是通过减速器将电 机的旋转运动经滚珠丝杠副的旋转运动转换为负载 的直线运动，同时利用伺服电机的闭环控制将伺服电 机精确的转速、转角、扭矩控制转变成负载机构的精 确速度、位置、推力控制，从而实现高精度直线运动。
这种电动伺服机构设计主要考虑的特点是：在运 动全过程中能够通过断电励磁制动器实现锁定功能； 可实时反馈伸出行程，运行中间位置停止，重新起动 后反馈当前的绝对位置；当指令行程超出极限位置 时，能够给I／O端口提供故障反馈信号，以及过压、过 热保护、极限限位等功能，大大提高了系统的稳定性 和可靠性 ，而且节约了使用成本。
1．2 电动伺服机构的控制系统 该电动伺服机构控制系统主要由上位机、DSP主 控电路、驱动电路、主电路、信号检测电路(速度、位 置、电流、温度反馈)组成，如图2所示。
位置信号由上位机给出，速度信号由位置信号计 算得出。主控芯片选用 TI公 司生产 的高性能的 Delfino系列32位单精度浮点 DSP，其具有 200 MHz 的主频，单精度浮点运算单元(FPU)、三角数学运算 单元(TMU)、维特比复杂数学运算单元(VCU)、可编 程控制律加速器 (CLA)、1MB Flash、2 CAN、20个 ADC(可配置为 16_bit模式或 12_bit模式)输人通 道，还集成了多种外设。 控制系统设计采用全数字三闭环控制 J，上位 机给出位置信号，位置传感器(光电式多圈绝对值编 码器)通过测量丝杠旋转圈数，反馈电动伺服机构推 杆行程，得到伺服机构的实际位置，经过微分计算得 到速度信号，通过速度环与电流环产生一定脉宽占空 比的 PWM波驱动控制电机，然后通过减速器与滚珠 丝杠副的作用使推杆作直线运动驱动负载，温度信号 反馈至 DSP，进行电机运行状态检测和过温保护。
1．3 伺服电机的冷却系统 伺服电机的冷却系统(如图3所示)属于空气强 制冷却，特点是不仅可同时冷却电机主体和断电励磁 制动器，而且在电机正、反转时风扇都能起到冷却作 用。其中起关键作用是双向离心冷却风扇，如图4所 示：中心是风扇与轴的配合孔和键槽 ；左侧径向方向 外圆处设计了对称圆弧槽，弧形槽 自左到右有一定缩 减弧度，总共有 8个，中心圆环槽的目的是减重；右侧有4个突起，自身对称，旋转时产生少量的风，有 8个 减重槽 ；冷却风扇中间圆盘面，将电机主体的冷却空 气和断电励磁制动器的冷却空气隔离两侧，它的直径 比安装筒的直径小 1 mm，这样既满足了安装要求，也 能使双向离 1、5,冷却风扇的效率达到更高。
冷却系统工作原理：电机启动后，在左侧，冷却空 气迅速地从电机蒙皮上的两排进气孔(每排 60个) 进入，并沿着蒙皮下电机主体上的多条螺旋冷却槽 (增加接触面积)流到电机轴带动的双向离心风扇端 面，带走电机内部产生传导在电机壳上的大部分热 量，随后在风扇离心力的作用下甩出电机；在右侧电 机安装制动器的端面开有几个扁孔，冷却空气由扁孔 进入沿着制动器与安装筒座的缝隙被冷却风扇吸人， 带走制动器产生 的热量，最后在离心力作用下排 出电机。
2 ，电动伺服机构关键参数计算 根据相关设计要求和实际工况，得出电动伺服机 构输出主要性能要求如表 1所示。
伺服机构丝杠副驱动转矩 丝杠受到的推拉力：F =28 000 N 丝杠螺母承受的转矩： = + 1 F ·Ph 1 O00r／ 21T ： ． 二 27r 1 000叼 ≥ 式中： 为丝杠副的摩擦力矩； 为丝杠副预紧力 矩；Ph为丝杠导程； 为丝杠预紧力；叩 为丝杠传动。
丝杠螺母齿轮受到的转矩 1 丝杠螺母齿轮受到的转矩：T．= -七 r／12．3 减速比 传动系统选用电机经一级斜 圆柱 轮减速驱 动丝杠副的结构。 丝杠螺母的转速．，2 = h 此设计选用一级斜 网柱齿轮传动， ．为主动 斜齿轮齿数，z，为从动斜齿轮 数。 r， 减速比 i= L 1 2．4 电机参数 I 根据功率计算公式：P=F·t ·__I ̈ 叼 式中，伺服机构输出推托力 F=F =28 000 N，伺 服机构额定输出速度 350 IllI'll／S。 电动伺服机构在传动过程中，总共使用了2组轴 承，轴承效率 为0．98；l级斜芮齿轮传动效率 77 为 0．95。 总传动效率： =r／ ·叼 ·叼 1 将总传动效率带入，得电机功率：P=F· · 叩 电机实际额定转速 1=i ，l 一11 000 r／min 根据以上分析计算知，所设计伺服机构输出均满 足要求 3 初步控制系统仿真及试验验证 通过对伺服电机控制系统进行初步实际调试，可 得卒载时的阶跃指令响应曲线如 5所示。可见响 应时问短速度快，在允许范同内基本没有超调，控制 系统稳态性能良好。
