機電一體化技術(shù)及應(yīng)用 課件 3 伺服傳動技術(shù)

第五節(jié)伺服系統(tǒng)中的檢測元件第四節(jié)伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件第三節(jié)機械結(jié)構(gòu)因素對伺服系統(tǒng)性能的影響第二節(jié)伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能指標第一節(jié)伺服系統(tǒng)概述第三章伺服傳動技術(shù)第六節(jié)電氣伺服系統(tǒng)第七節(jié)電液伺服系統(tǒng)3.1伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng):以位移、速度（加速度）或力（力矩）等機械參量為被控量，在控制命令的指揮下，控制執(zhí)行元件工作，使機械運動部件按照控制命令的要求進行運動，具有良好的動態(tài)性能，從而使機械設(shè)備獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋環(huán)節(jié)，因而伺服系統(tǒng)也是一種反饋控制系統(tǒng)。其基本設(shè)計思想是系統(tǒng)實時檢測在各種外部干擾作用下被控對象輸出量的變化，與指令值進行比較，并利用二者的偏差值進行自動調(diào)節(jié)，以消除偏差，使被控對象輸出量能夠迅速、準確地響應(yīng)輸入指令值的變化。+輸出量輸入指令控制器功率放大器執(zhí)行元件被控對象檢測反饋元件比較元件3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.比較元件將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得控制系統(tǒng)動作的偏差信號。通常由專門的電子電路或計算機軟件來實現(xiàn)。2.控制器對比較元件輸出的偏差信號進行變換、處理，按照一定的控制算法生成相應(yīng)的控制信號。通常由計算機或控制電路組成。3.功率放大器對控制信號進行放大，從而指揮執(zhí)行元件按要求動作。主要采用各種電力電子器件構(gòu)成。+輸出量輸入指令控制器功率放大器執(zhí)行元件被控對象檢測反饋元件比較元件3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成4.執(zhí)行元件在控制信號的作用下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能，以驅(qū)動被控對象工作。機電一體化產(chǎn)品中多采用伺服電動機（包括交流伺服電動機、直流伺服電動機）和步進電動機為執(zhí)行元件。5.被控對象伺服系統(tǒng)中被控制的機構(gòu)或裝置，完成系統(tǒng)目的之主體。包括機械負載和機械傳動裝置等。6.檢測反饋元件對系統(tǒng)的被控制量進行實時測量，將其轉(zhuǎn)換成比較元件所需要的量綱并反饋到比較元件。一般包括傳感器及其轉(zhuǎn)換放大電路等。3.1.2伺服系統(tǒng)的類型1.按控制方式的不同可分為★開環(huán)伺服系統(tǒng)★全閉環(huán)伺服系統(tǒng)★半閉環(huán)伺服系統(tǒng)2.按執(zhí)行元件的不同可分為★電氣伺服系統(tǒng)★液壓伺服系統(tǒng)★氣動伺服系統(tǒng)★電液伺服系統(tǒng)（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)（無法測出和補償系統(tǒng)誤差；抗干擾能力差）1.按控制方式的不同分類如簡易數(shù)控機械、機械手、小型工作臺、線切割機和繪圖儀等。取決于步進電機最高運行頻率（2）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)（工作臺）設(shè)計、控制、調(diào)試難度大，制造成本高（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服傳動系統(tǒng)執(zhí)行元件系統(tǒng)特點電氣伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)

步進伺服系統(tǒng)直流伺服電機交流伺服電機步進電機宜于微機控制，能實現(xiàn)定位伺服，過載性差，體積小，動力較大，無污染，應(yīng)用廣泛。液壓伺服系統(tǒng)液壓缸液壓馬達工作平穩(wěn)，響應(yīng)速度快，輸出力矩大，特別是低速運行時的性能更具優(yōu)勢；設(shè)備復(fù)雜（包括泵、閥、過濾器、管路等），體積大，維修費用高，液壓油易泄漏而造成環(huán)境污染。氣動伺服系統(tǒng)氣缸氣動馬達氣源方便，無泄漏污染，功率小，成本低，設(shè)備復(fù)雜（同上），由于空氣具有可壓縮性，故定位精度不高（動作不夠平穩(wěn)），難于實現(xiàn)伺服。

電液伺服系統(tǒng)電液伺服馬達電液步進電機數(shù)字式液壓執(zhí)行元件。電液相結(jié)合，信號處理部分（信號檢測反饋，信號放大變換）采用電氣元件，功率輸出部分使用液壓元件，充分發(fā)揮電氣、液壓兩方面的優(yōu)點；結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度快，輸出轉(zhuǎn)矩比電動機大，可直接驅(qū)動負載，過載能力強，定位精度高，適于重載的高加減速驅(qū)動。2.按執(zhí)行元件的不同分類3.1.3伺服系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或當給系統(tǒng)輸入一個新的指令信號后系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。精度系統(tǒng)輸出復(fù)現(xiàn)輸入指令的精確程度，以動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差來表現(xiàn)?？焖夙憫?yīng)性動態(tài)響應(yīng)過程中系統(tǒng)輸出能夠快速跟隨輸入指令信號變化以及動態(tài)響應(yīng)過程迅速結(jié)束的能力，衡量系統(tǒng)動態(tài)性能的重要指標。3.2機械結(jié)構(gòu)因素對伺服系統(tǒng)性能的影響3.2.1阻尼的影響取0.4≤ζ≤0.8，可保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性。3.2.2摩擦的影響1．引起動態(tài)滯后和系統(tǒng)誤差2.引起低速爬行為改善伺服系統(tǒng)低速爬行現(xiàn)象，應(yīng)盡量減小靜摩擦和動、靜摩擦之差值、適當增加系統(tǒng)的慣量J和粘性阻尼系數(shù)B，但增加J將降低系統(tǒng)的響應(yīng)性能，增加B將增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。產(chǎn)生低速爬行的臨界轉(zhuǎn)速3.2.3結(jié)構(gòu)彈性變形的影響1．結(jié)構(gòu)諧振的影響

結(jié)構(gòu)諧振（機械諧振）：由于機械傳動裝置（系統(tǒng)）的彈性變形而產(chǎn)生的振動。說明（1）如果系統(tǒng)要求不太高、且頻帶較窄，只要傳動系統(tǒng)的剛度足夠大，則結(jié)構(gòu)諧振問題并不突出。（2）系統(tǒng)的精度和響應(yīng)快速性的提高，必然導(dǎo)致系統(tǒng)頻帶寬度的提高，應(yīng)注意諧振發(fā)生。（3）為避免伺服系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振，機械裝置的固有頻率必須遠離伺服系統(tǒng)的帶寬。（4）伺服系統(tǒng)性能的提高，特別是系統(tǒng)帶寬的提高受到機械固有頻率的限制。（5）對于精密機械設(shè)計，應(yīng)盡可能提高固有頻率。2．減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施（1）提高機械系統(tǒng)固有頻率，使之處在伺服系統(tǒng)的通頻帶之外1）提高傳動系統(tǒng)的剛度

a.采用彈性模量較高的材料；合理選擇構(gòu)件截面幾何形狀和尺寸。b.增加對機械系統(tǒng)固有頻率有較大影響的薄弱環(huán)節(jié)的剛度（軸承和絲杠：預(yù)緊安裝；末級輸出軸：加大末級軸剛度，增大末級減速比）c.取消齒輪傳動裝置2）

減小負載的轉(zhuǎn)動慣量將有利于提高伺服系統(tǒng)的快速性和固有頻率，卻將導(dǎo)致傳動剛度降低。在不影響剛度條件下，盡量降低各部件的質(zhì)量和慣量。（2）提高機械阻尼，抑制諧振1）采用粘性聯(lián)軸器如在伺服電動機和減速器之間設(shè)置液體粘性聯(lián)軸器，由于液體的粘性，可使系統(tǒng)的阻尼系數(shù)提高一個數(shù)量級。2）采用阻尼器在負載端設(shè)置液壓或電磁阻尼器，可明顯提高系統(tǒng)阻尼。3）采用結(jié)構(gòu)阻尼較大的結(jié)構(gòu)或材料螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)阻尼>焊接間斷焊縫的阻尼>連續(xù)焊縫大灰鑄鐵阻尼系數(shù)>>鋼3.2.4慣量的影響轉(zhuǎn)動慣量對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度以及動態(tài)響應(yīng)均有影響。慣量增大，系統(tǒng)的固有頻率下降，易產(chǎn)生諧振，限制了伺服帶寬，導(dǎo)致伺服精度和響應(yīng)速度降低。慣量增大，阻尼比減小，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性變差。在不影響系統(tǒng)剛度的情況下，應(yīng)盡可能減小慣量，只有在改善低速爬行時才可以適當增大慣量。3.2.5傳動間隙的影響1．機械傳動間隙（齒隙）

理想齒輪傳動：輸入輸出間呈線性關(guān)系實際齒輪傳動：輸入輸出間呈滯環(huán)特性

當主動輪轉(zhuǎn)角時，。當時（轉(zhuǎn)過a），兩齒輪嚙合，從動輪按線性關(guān)系跟隨主動輪轉(zhuǎn)動。當主動輪轉(zhuǎn)至b點時需換向。由于齒隙，從動輪并不立即反向轉(zhuǎn)動，直至主動輪轉(zhuǎn)過2Δ后（c點），兩個齒輪在另一側(cè)齒面接觸，從動輪才反轉(zhuǎn)，兩齒輪轉(zhuǎn)角恢復(fù)線性關(guān)系。當?shù)竭_e點，由于，主動輪將繼續(xù)反轉(zhuǎn)到d點。3.2.5傳動間隙的影響結(jié)論齒隙使傳動裝置在主動輪（輸入軸）可逆運轉(zhuǎn)時，造成從動輪（輸出軸）轉(zhuǎn)角的滯后，即空程誤差（回差）。末級齒輪的傳動間隙影響最大，應(yīng)盡可能提高其加工精度和裝配精度。如三級齒輪傳動，換算到輸出軸的總間隙為應(yīng)盡可能提高末級齒輪的加工精度和裝配精度（1）閉環(huán)內(nèi)前向通道上動力齒輪傳動裝置G2齒隙：影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）閉環(huán)內(nèi)反饋數(shù)據(jù)通道中齒輪傳動裝置G3齒隙：既影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，又影響系統(tǒng)的精度。（3）閉環(huán)前數(shù)據(jù)輸入通道上齒輪傳動裝置G1齒隙：影響系統(tǒng)的精度。（4）閉環(huán)后位置輸出通道上齒輪傳動裝置G4齒隙：影響系統(tǒng)的精度。2．傳動間隙對伺服系統(tǒng)性能的影響3.3伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件3.3.1執(zhí)行元件的種類及其特點執(zhí)行元件特點電氣式直流伺服電機交流伺服電機步進電機宜于微機控制，能實現(xiàn)定位伺服，過載性差，體積小，動力較大，無污染，應(yīng)用廣泛。液壓式液壓缸液壓馬達工作平穩(wěn)，響應(yīng)速度快，輸出力矩大，特別是低速運行時的性能更具優(yōu)勢；設(shè)備復(fù)雜（包括泵、閥、過濾器、管路等），體積大，維修費用高，液壓油易泄漏而造成環(huán)境污染。氣動式氣缸氣動馬達氣源方便，無泄漏污染，功率小，成本低，設(shè)備復(fù)雜（同上），由于空氣具有可壓縮性，故定位精度不高（動作不夠平穩(wěn)），難于實現(xiàn)伺服。

電液式電液伺服馬達電液步進電機數(shù)字式液壓執(zhí)行元件。電液相結(jié)合，信號處理部分（信號檢測反饋，信號放大變換）采用電氣元件，功率輸出部分使用液壓元件，充分發(fā)揮電氣、液壓兩方面的優(yōu)點；結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度快，輸出轉(zhuǎn)矩比電動機大，可直接驅(qū)動負載，過載能力強，定位精度高，適于重載的高加減速驅(qū)動。各種執(zhí)行元件的特點電液速度控制系統(tǒng)3.3.2執(zhí)行元件的基本要求1．慣量小、動力大為使伺服系統(tǒng)具有良好的快速響應(yīng)性能和足夠的負載能力，執(zhí)行元件應(yīng)具有較小慣量，能輸出較大功率，并且在加/減速時動力大。2．體積小、重量輕—易于安裝、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊3.宜于計算機控制—最方便實行計算機控制的是電動式執(zhí)行元件4.便于維修（盡量少維修，最好不維修）

無刷直流伺服電動機和交流伺服電動機能實現(xiàn)無維修，有刷直流伺服電動機必須定期維修（存在電刷）。3.3.3新型執(zhí)行元件1.壓電式驅(qū)動器利用壓電材料逆壓電效應(yīng)來驅(qū)動運動機構(gòu)作微量位移。逆壓電效應(yīng)(conversepiezoelectriceffect)：壓電材料（壓電陶瓷）在外界電場作用下產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變大小與電場強度成正比，應(yīng)變方向取決于電場方向。優(yōu)點：

①位移量大(數(shù)厘米）；

②移動精度和分辨率高；

③動作快（20mm/min)；

④結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易于遙控。2.磁致伸縮驅(qū)動器利用磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)微量位移。磁致伸縮效應(yīng)(magnetostrictiveeffect)：某些材料在磁場作用下產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變大小與磁場強度成正比。特點：①重復(fù)精度高，無間隙；②剛性好，轉(zhuǎn)動慣量小，工作穩(wěn)定性好；③結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；④進給量有限：理想鐵磁材料7μm/100mm,適用于精確位移調(diào)整、切削刀具的磨損補償、溫度變形補償及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)為實現(xiàn)較大距離的微量進給，常采用粗位移和微位移分離的傳動方式。精密坐標調(diào)整用磁致伸縮傳動原理圖3.電熱式驅(qū)動器

利用電熱元件（金屬棒）通電后產(chǎn)生的熱變形來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的直線位移，通過控制電熱器（電阻絲）的加熱電流來改變位移量。特點：剛度高、無間隙；位移量小（物體的線膨脹量有限），存在熱慣性，且難于精確控制冷卻速度（傳動桿內(nèi)腔中通入壓縮空氣或乳化液進行冷卻使之復(fù)位），故只能用于行程較短、工作頻率不高的場合。電阻絲傳動桿運動件外圓磨床砂輪架熱變形進給機構(gòu)3.4伺服系統(tǒng)中的檢測元件3.4.1伺服系統(tǒng)中檢測元件的種類伺服系統(tǒng)中常用直線位移檢測傳感器類型測量范圍/mm線性度分辨力特點系統(tǒng)類型測量方式光電編碼器1～10000.5%～1%±1個二進制數(shù)精度高，數(shù)字式，非接觸式，功耗小，壽命長，可靠性高全閉環(huán)半閉環(huán)直接測量，間接測量光柵30～3000精度0.5～3μm/m0.1～10μm精度最高，易數(shù)字化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對環(huán)境要求較高，高精度檢測中常用閉環(huán)直接測量磁柵1000～2×104精度1～2μm/m1μm制造簡單，使用方便，磁信號可重新錄制，可用于大型機床中檢測大位移；需要采用磁屏蔽和防塵措施開環(huán)全閉環(huán)直接測量3.5伺服系統(tǒng)中的檢測元件3.5.1伺服系統(tǒng)中檢測元件的種類伺服系統(tǒng)中常用直線位移檢測傳感器類型測量范圍/mm線性度分辨力特點系統(tǒng)類型測量方式光電編碼器1～10000.5%～1%±1個二進制數(shù)精度高，數(shù)字式，非接觸式，功耗小，壽命長，可靠性高全閉環(huán)半閉環(huán)直接測量，間接測量光柵30～3000精度0.5～3μm/m0.1～10μm精度最高，易數(shù)字化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對環(huán)境要求較高，高精度檢測中常用閉環(huán)直接測量磁柵1000～2×104精度1～2μm/m1μm制造簡單，使用方便，磁信號可重新錄制，可用于大型機床中檢測大位移；需要采用磁屏蔽和防塵措施開環(huán)全閉環(huán)直接測量

伺服系統(tǒng)中常用直線位移檢測傳感器（續(xù)）類型測量范圍/mm線性度分辨力特點系統(tǒng)類型測量方式感應(yīng)同步器200～4×104精度2.5μm/m0.1μm結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)范圍寬，精度高；體積大，安裝不方便，在機床加工中應(yīng)用廣泛開環(huán)，全閉環(huán)直接測量旋轉(zhuǎn)變壓器

對環(huán)境要求低，有標準系列，使用方便，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定開環(huán)間接測量

伺服系統(tǒng)中常用角位移檢測傳感器類型測量范圍精度分辨力特點系統(tǒng)類型測量方式光電編碼器360°0.7″±1個二進制數(shù)分辨力和精度高，易數(shù)字化，非接觸式，功耗小，可靠性高，壽命長；電路較復(fù)雜半閉環(huán)間接測量感應(yīng)同步器360°±0.5″～±1″0.1″精度較高，易數(shù)字化，能動態(tài)測量；體積大，結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境要求低；電路較復(fù)雜開環(huán)全閉環(huán)

旋轉(zhuǎn)變壓器360°2′～5′

對環(huán)境要求低，有標準系列，使用方便，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定；精度不高，線性范圍小開環(huán)伺服系統(tǒng)中常用速度檢測傳感器類型測量范圍線性度分辨力特點測量方式光電編碼器10000r/min

163840p/r精度高，易數(shù)字化，非接觸式，功耗小，可靠性高，壽命長；電路復(fù)雜直接測量測速發(fā)電機20～400r/min0.2%～1%0.4～5mV?min/r結(jié)構(gòu)簡單，線性度好，靈敏度高，輸出信號大，性能穩(wěn)定直接測量3.4.2伺服系統(tǒng)中的測量方式1.直接測量：傳感器安裝在執(zhí)行機構(gòu)末端，直接測量輸出量①測量精度取決于傳感器精度和信號采樣精度，不受傳動機構(gòu)精度的影響；②傳動機構(gòu)的誤差可以通過控制得到補償；③對傳感器精度的要求較高，成本較高；④傳感器選擇受安裝幾何條件和環(huán)境條件的限制。2.間接測量：在與輸出量相關(guān)的部件上安裝傳感器，檢測到與輸出量相關(guān)的信息，再通過數(shù)學運算得到實際的輸出量。①測量精度不但取決于傳感器精度和信號采樣精度，而且還受到傳動機構(gòu)精度的影響；②閉環(huán)之外的傳動機構(gòu)的誤差無法得到補償；③對傳感器精度的要求較低，成本較低；④傳感器安裝方便，對環(huán)境的適應(yīng)性較好。3.5電氣伺服系統(tǒng)3.5.1直流伺服系統(tǒng)采用直流伺服電動機作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)稱為直流伺服系統(tǒng)。1.直流位置伺服系統(tǒng)的組成及工作原理脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速原理利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管的開關(guān)時間進行控制，將直流控制電壓U轉(zhuǎn)換成脈沖方波，通過改變脈沖寬度τ來改變電樞兩端的平均電壓Ua，從而達到平滑調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。利用可逆PWM變換器實現(xiàn)電動機雙向調(diào)速2.直流位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析（1）檢測誤差由檢測元件引起，取決于檢測元件本身的精度。（2）原理誤差由系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)特征參數(shù)和輸入信號形式?jīng)Q定。（3）擾動誤差由負載變化和電網(wǎng)波動引起的擾動和噪聲干擾等引起。3.5.2交流伺服系統(tǒng)1.矢量控制的交流伺服系統(tǒng)矢量控制：設(shè)法在交流電動機上模擬直流電動機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，從而使交流電動機具有相同的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生及控制的能力。矢量控制交流伺服系統(tǒng)原理框圖2.SPWM變頻調(diào)速控制的交流伺服系統(tǒng)（1）變頻調(diào)速的基本原理

通過均勻改變頻率來平滑地改變電動機轉(zhuǎn)速。（2）SPWM

根據(jù)比值在變頻的同時改變電壓，并按正弦波規(guī)律調(diào)制脈沖寬度。單極型SPWM波形雙極型SPWM波形（3）SPWM變頻器（4）SPWM逆變器的調(diào)制方式1）同步調(diào)制改變fr的同時成比例地改變ft，使N始終保持不變。2）異步調(diào)制在改變fr的同時，ft的值保持不變，使N值不斷變化。3）分段調(diào)制在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，低速段采用異步調(diào)制，高速段分段同步化，N值逐級改變。（5）SPWM專用芯片HEF4752

（6）SPWM專用芯片HEF4752

3.5.3步進伺服系統(tǒng)一般數(shù)控機械和普通機床的數(shù)控改造中大多采用步進電動機開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電動機受控于電脈沖信號（角位移正比于脈沖數(shù)；轉(zhuǎn)速正比于脈沖頻率；改變脈沖分配相序，可改變電動機轉(zhuǎn)動方向；脈沖的有無決定了電動機的啟/停），比由直流伺服電動機或交流伺服電動機組成的開環(huán)控制系統(tǒng)精度高。1.步進電動機的開環(huán)控制（1）串行控制（2）并行控制2.步進電動機的閉環(huán)控制