機電一體化技術-機電一體化技術-機電一體化的單元技術-伺服驅(qū)動技術-1課件

第2章機電一體化的單元技術

2.4伺服驅(qū)動技術

——概述、組成、分類、基本要求、應用機械工程學院機械工程學院1

伺服(Servo)源自于拉丁語的Servus(英語為Slave:奴隸)奴隸的功用是忠實地遵從主人的命令從事體力工作,也就是“依指令準確執(zhí)行動作的驅(qū)動裝置；能夠高精度的靈敏動作表現(xiàn)，自我動作狀態(tài)常時確認”。而具有這種功能裝置就稱為伺服系統(tǒng)。一、伺服驅(qū)動概述機械工程學院伺服(Servo)一、伺服驅(qū)動概述機械工程學院2

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠以一定的準確度跟隨輸入信號量(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。用來自動、連續(xù)、精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機械位移、速度、加速度等參數(shù)的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移(或轉(zhuǎn)角)準確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。機械工程學院伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠以一定3

伺服系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中的重要組成部分，最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的控制等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：

①以小功率指令信號去控制大功率負載，火炮控制和船舵控制就是典型的例子；②在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動；③使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。

機械工程學院伺服系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中的重要組成部分，最初用于4

二、伺服驅(qū)動的組成以數(shù)控機床工作臺伺服系統(tǒng)為例：機械工程學院二、伺服驅(qū)動的組成以數(shù)控機床工作臺伺服系統(tǒng)為例：機械工程學5

控制器：是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。執(zhí)行環(huán)節(jié)：按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動被控對象工作。比較環(huán)節(jié)：將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，獲得輸出與輸入間偏差信號的環(huán)節(jié)，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動控制單元驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。機械工程學院控制器：是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較6

被控對象：被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。被控對象一般指機器的運動部分，包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載，如工業(yè)機器人的手臂、數(shù)控機床的工作臺以及自動導引車的驅(qū)動輪等。檢測環(huán)節(jié)：能夠?qū)敵鲞M行測量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱后反饋給比較控制環(huán)節(jié)的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。機械工程學院被控對象：被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體7

在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不一定成立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中。如測速直流電機既是執(zhí)行元件又是檢測元件。機械工程學院在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個環(huán)節(jié)在硬件特征上8三、伺服驅(qū)動的分類1．按被控量參數(shù)特性分類

按被控量不同，機電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。位置控制：例如送料，定長裁切，套色印刷等方面。轉(zhuǎn)矩控制：例如生產(chǎn)造紙卷取，薄膜拉伸之類的設備上面。轉(zhuǎn)矩控制不一定是驅(qū)動負載很大的場合的。例如拉拔細銅絲的設備，負載根本就不大。但對轉(zhuǎn)矩就有嚴格的要求。

機械工程學院三、伺服驅(qū)動的分類1．按被控量參數(shù)特性分類位置控制92．按系統(tǒng)結構特點分類

從系統(tǒng)結構特點來看，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。開環(huán)：機構比較簡單，易于控制，工作可靠，容易掌握使用，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小，適用于中、小型精度要求不高的機電一體化設備中或經(jīng)濟型系統(tǒng)中。

如簡易數(shù)控機械、機械手、小型工作臺、沖床自動送料裝置和繞線機的同步運動等。機械工程學院2．按系統(tǒng)結構特點分類開環(huán)：機構比較簡單，易于控制，工作可靠10機械工程學院機械工程學院11機械工程學院機械工程學院12

檢測元件安裝在電機軸上，伺服機械傳動裝置不包括在環(huán)內(nèi)，所以機械傳動誤差沒有反饋，其位置精度與開環(huán)控制相當。

但其驅(qū)動功率大，響應速度快，只要檢測元件分辨率高、精度高，并使機械傳動件具有相應的精度，就會獲得較高精度和速度。機械工程學院檢測元件安裝在電機軸上，伺服機械傳動裝置不包括13機械工程學院機械工程學院14

系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反饋回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。

在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件安裝在工作臺上，直接測量工作臺的位移，將測得的位移量反饋到數(shù)控裝置，與要求的位移量進行比較，根據(jù)比較結果增加或減少發(fā)出的脈沖數(shù)，對執(zhí)行部件的移動進行補償，直至差值為零。機械工程學院系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反饋回來影響控15

閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋(NegativeFeedback)，若相同，則稱為正反饋(PositiveFeedback)，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋。

閉環(huán)控制系統(tǒng)對輸出進行直接控制，可以消除整個系統(tǒng)的誤差和間隙，其控制精度、動態(tài)性能等較開環(huán)系統(tǒng)好，其定位精度取決于檢測裝置的精度，但因受機械傳動部件的非線性影響嚴重，系統(tǒng)比較復雜，調(diào)試、維修的難度較大，檢測比較麻煩，成本高。特點：機械工程學院閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)163．按驅(qū)動元件的類型分按驅(qū)動元件的不同分類，是最常用的一種方法，可分為液壓伺服系統(tǒng)、氣壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)。

機械工程學院

液壓伺服系統(tǒng)是較早期的伺服驅(qū)動裝置，也是功率最大的伺服驅(qū)動裝置。

電氣伺服系統(tǒng)是發(fā)展最快的驅(qū)動裝置，也是目前最實用的伺服驅(qū)動裝置。3．按驅(qū)動元件的類型分機械工程學院液壓伺服系統(tǒng)是較17機械工程學院機械工程學院18

四、伺服驅(qū)動的基本要求

伺服系統(tǒng)是一種具有響應和執(zhí)行指令的裝置，為了保證動作的快速和準確，伺服系統(tǒng)必須能夠滿足以下四個基本要求：(1)穩(wěn)定性好。

穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。機械工程學院四、伺服驅(qū)動的基本要求伺服系統(tǒng)是一種具有響19(2)精度高。

精度是伺服系統(tǒng)的一項重要性能要求。它是指輸出量復現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。

對精度要求高主要在兩個方面：

一是要求驅(qū)動裝置比較經(jīng)濟地滿足定位準確的要求，定位誤差要小，特別是重復定位誤差；

二是要求跟隨精度高，即在運動的過程中，位置的實際值與給定值的誤差要小。機械工程學院(2)精度高。機械工程學院20(3)快速響應性好?？焖夙憫杂袃煞矫婧x，一方面指動態(tài)響應過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。另一方面，為了滿足超調(diào)要求，動態(tài)響應過程結束的迅速程度。伺服系統(tǒng)對輸入指令信號的響應速度常由系統(tǒng)的上升時間(輸出響應從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間)來表征，它主要取決于系統(tǒng)的阻尼比。機械工程學院(3)快速響應性好?？焖夙憫杂袃煞矫婧x，21

(4)調(diào)速范圍寬。

調(diào)速范圍是指伺服驅(qū)動所能提供的最高速度與最低速度之比，通常指轉(zhuǎn)速之比：機械工程學院對機電一體化產(chǎn)品，還要求負載能力強、工作頻率范圍大、體積小、重量輕、可靠性高、成本低、便于維修和安裝等。這些要求都應在設計時給予綜合考慮。(4)調(diào)速范圍寬。機械工程學院對機電一體化產(chǎn)品，22第2章機電一體化的單元技術

2.4伺服驅(qū)動技術

——概述、組成、分類、基本要求、應用機械工程學院機械工程學院23

伺服(Servo)源自于拉丁語的Servus(英語為Slave:奴隸)奴隸的功用是忠實地遵從主人的命令從事體力工作,也就是“依指令準確執(zhí)行動作的驅(qū)動裝置；能夠高精度的靈敏動作表現(xiàn)，自我動作狀態(tài)常時確認”。而具有這種功能裝置就稱為伺服系統(tǒng)。一、伺服驅(qū)動概述機械工程學院伺服(Servo)一、伺服驅(qū)動概述機械工程學院24

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠以一定的準確度跟隨輸入信號量(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。用來自動、連續(xù)、精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機械位移、速度、加速度等參數(shù)的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移(或轉(zhuǎn)角)準確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。機械工程學院伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠以一定25

伺服系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中的重要組成部分，最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的控制等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：

①以小功率指令信號去控制大功率負載，火炮控制和船舵控制就是典型的例子；②在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動；③使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。

機械工程學院伺服系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中的重要組成部分，最初用于26

二、伺服驅(qū)動的組成以數(shù)控機床工作臺伺服系統(tǒng)為例：機械工程學院二、伺服驅(qū)動的組成以數(shù)控機床工作臺伺服系統(tǒng)為例：機械工程學27

控制器：是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。執(zhí)行環(huán)節(jié)：按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動被控對象工作。比較環(huán)節(jié)：將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，獲得輸出與輸入間偏差信號的環(huán)節(jié)，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動控制單元驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。機械工程學院控制器：是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較28

被控對象：被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。被控對象一般指機器的運動部分，包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載，如工業(yè)機器人的手臂、數(shù)控機床的工作臺以及自動導引車的驅(qū)動輪等。檢測環(huán)節(jié)：能夠?qū)敵鲞M行測量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱后反饋給比較控制環(huán)節(jié)的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。機械工程學院被控對象：被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體29

在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不一定成立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中。如測速直流電機既是執(zhí)行元件又是檢測元件。機械工程學院在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個環(huán)節(jié)在硬件特征上30三、伺服驅(qū)動的分類1．按被控量參數(shù)特性分類

按被控量不同，機電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。位置控制：例如送料，定長裁切，套色印刷等方面。轉(zhuǎn)矩控制：例如生產(chǎn)造紙卷取，薄膜拉伸之類的設備上面。轉(zhuǎn)矩控制不一定是驅(qū)動負載很大的場合的。例如拉拔細銅絲的設備，負載根本就不大。但對轉(zhuǎn)矩就有嚴格的要求。

機械工程學院三、伺服驅(qū)動的分類1．按被控量參數(shù)特性分類位置控制312．按系統(tǒng)結構特點分類

從系統(tǒng)結構特點來看，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。開環(huán)：機構比較簡單，易于控制，工作可靠，容易掌握使用，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小，適用于中、小型精度要求不高的機電一體化設備中或經(jīng)濟型系統(tǒng)中。

如簡易數(shù)控機械、機械手、小型工作臺、沖床自動送料裝置和繞線機的同步運動等。機械工程學院2．按系統(tǒng)結構特點分類開環(huán)：機構比較簡單，易于控制，工作可靠32機械工程學院機械工程學院33機械工程學院機械工程學院34

檢測元件安裝在電機軸上，伺服機械傳動裝置不包括在環(huán)內(nèi)，所以機械傳動誤差沒有反饋，其位置精度與開環(huán)控制相當。

但其驅(qū)動功率大，響應速度快，只要檢測元件分辨率高、精度高，并使機械傳動件具有相應的精度，就會獲得較高精度和速度。機械工程學院檢測元件安裝在電機軸上，伺服機械傳動裝置不包括35機械工程學院機械工程學院36

系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反饋回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。

在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件安裝在工作臺上，直接測量工作臺的位移，將測得的位移量反饋到數(shù)控裝置，與要求的位移量進行比較，根據(jù)比較結果增加或減少發(fā)出的脈沖數(shù)，對執(zhí)行部件的移動進行補償，直至差值為零。機械工程學院系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反饋回來影響控37

閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋(NegativeFeedback)，若相同，則稱為正反饋(PositiveFeedback)，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋。

閉環(huán)控制系統(tǒng)對輸出進行直接控制，可以消除整個系統(tǒng)的誤差和間隙，其控制精度、動態(tài)性能等較開環(huán)系統(tǒng)好，其定位精度取決于檢測裝置的精度，但因受機械傳動部件的非線性影響嚴重，系統(tǒng)比較復雜，調(diào)試、維修的難度較大，檢測比較麻煩，成本高。特點：機械工程學院閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)383．按驅(qū)動元件的類型分按驅(qū)動元件的不同分類，是最常用的一種方法，可分為液壓伺服系統(tǒng)、氣壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)。

機械工程學院

液壓伺服系統(tǒng)是較早期的伺服驅(qū)動裝置，也是功率最大的伺服驅(qū)動裝置。

電氣伺服系統(tǒng)是發(fā)展最快的驅(qū)動裝置，也是目前最實用的伺服驅(qū)動裝置。3．按驅(qū)動元件的類型分機械工程學院液壓伺服系統(tǒng)是較39機械工程學院機械工程學院40

四、伺服驅(qū)動的基本要求

伺服系統(tǒng)是一種具有響應和執(zhí)行指令的裝置，為了保證動作的快速和準確，伺服系統(tǒng)必須能夠滿足以下四個基本要求：