伺服系統(tǒng)概述

伺服系統(tǒng)概述第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第12講內(nèi)容伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述控制電動機伺服系統(tǒng)設(shè)計第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)基本概念伺服系統(tǒng)基本類型伺服系統(tǒng)基本要求第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六

伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機、反饋裝置和控制器。一、伺服系統(tǒng)基本概念電氣控制裝置機械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成圖機械執(zhí)行裝置部分由兩部分組成：電氣控制裝置部分第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量伺服系統(tǒng)組成原理框圖第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六

1.比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2.控制器

控制器通常是計算機或PID（比例、積分和微分）控制電路，其主要任務(wù)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。

第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六

3.執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構(gòu)等。

4.被控對象 5.檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質(zhì)上差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成伺服系統(tǒng)的特點和功用第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六

按控制原理分有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式

按被控制量性質(zhì)分有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式

按驅(qū)動方式分有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動形式

按執(zhí)行元件分有步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式二、伺服系統(tǒng)基本類型第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六精度高：穩(wěn)定性好：快速響應(yīng)：調(diào)速范圍寬：低速大轉(zhuǎn)矩：三、伺服系統(tǒng)基本要求第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六精度:指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差表示影響伺服系統(tǒng)精度的因素：組成元件本身誤差傳感器的靈敏度和精度伺服放大器的零點漂移和死區(qū)誤差機械裝置反向間隙和傳動誤差各元器件的非線性因素等系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)形式輸入指令信號的形式三、伺服系統(tǒng)基本要求第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六在零速時，伺服系統(tǒng)處于“鎖定”狀態(tài)，即慣性小。要求：調(diào)速范圍是伺服系統(tǒng)提供的最高速與最低速之比要大，并且在該范圍內(nèi)，速度穩(wěn)定；無論高速低速下，輸出力或力矩穩(wěn)定，低速驅(qū)動時，能輸出額定的力或力矩；響應(yīng)速度:是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的重要指標第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)變能力指能承受頻繁的啟動、制動、加速、減速的沖擊；過載能力指在低速大轉(zhuǎn)矩時，能承受較長時間的過載而不致?lián)p壞。低速大轉(zhuǎn)矩第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述執(zhí)行元件的種類及特點執(zhí)行元件的基本要求常用的控制用電機第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六一、執(zhí)行元件的種類及其特點第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六1.電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等2．液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運動油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點3．氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六異步電動機

感應(yīng)電動機離合器電動機永磁同步電動機

微型直流減速電動機

電磁式第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六液壓式

第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六氣壓式第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)用：液壓系統(tǒng)用于需大的功率重型設(shè)備;氣動用于工件夾緊、輸送等自動化生產(chǎn)線;電動應(yīng)用最廣泛.種類特點優(yōu)點缺點電氣式

可用商業(yè)電源；信號與動力傳送方向相同；有交流直流之分；注意使用電壓和功率。操作簡便；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服控制；響應(yīng)快、易與計算機（CPU）連接；體積小、動力大、無污染。瞬時輸出功率大；過載差；一旦卡死，會引起燒毀事故；受外界噪音影響大。氣壓式

氣體壓力源壓力5~7×Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。氣源方便、成本低；無泄露而污染環(huán)境；速度快、操作簡便。功率小、體積大、難于小型化；動作不平穩(wěn)、遠距離傳輸困難；噪音大；難于伺服。液壓式

液體壓力源壓力20~80×Mpa；要求操作人員技術(shù)熟練。輸出功率大，速度快、動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服控制；易與計算機（CPU）連接。設(shè)備難于小型化；液壓源和液壓油要求嚴格；易產(chǎn)生泄露而污染環(huán)境。第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六氣壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的比較空氣可以從大氣中取之不竭且不易堵塞；將用過的氣體排入大氣，無需回氣管路處理方便；泄漏不會嚴重的影響工作，不污染環(huán)境?？諝庹承院苄。诠苈分械难爻虊毫p失為液壓系統(tǒng)的干分之一，易于遠距離控制。工作壓力低．可降低對氣動元件的材料和制造精度要求。對開環(huán)控制系統(tǒng)，它相對液壓傳動具有動作迅速、響應(yīng)快的優(yōu)點。維護簡便，使用安全，沒有防火、防爆問題；適用于石油、化工、農(nóng)藥及礦山機械的特殊要求。對于無油的氣動控制系統(tǒng)則特別適用于無線電元器件生產(chǎn)過程，也適用于食品和醫(yī)藥的生產(chǎn)過程。第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六慣量小、動力大體積小、重量輕便于維修、安裝宜于微機控制二、執(zhí)行元件的基本要求第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六控制用電機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件。它是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。機電一體化產(chǎn)品中常用的控制用電機是指能提供正確運動或較復(fù)雜動作的伺服電機。三、常用的控制用電機

控制用電機有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動電機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復(fù)啟動、停止的增量驅(qū)動以及復(fù)雜的驅(qū)動，而驅(qū)動精度隨驅(qū)動對象的不同而不同。第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六步進電機（SteppingMotor）直流伺服電機(DCServoMotor)交流伺服電機(ACServoMotor)伺服驅(qū)動電機一般是指：第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。閉環(huán)系統(tǒng):驅(qū)動系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)系統(tǒng):沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)常用伺服控制電動機的控制方式第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用。第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。第三十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六1、從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括、、、、等五部分。比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量伺服系統(tǒng)組成原理框圖習(xí)題控制器被控對象執(zhí)行環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)第三十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六1、伺服系統(tǒng)基本類型按控制原理分為三種形式按被控