《機(jī)電一體化技術(shù)》課件-第三章 3.1-3.2

第3章伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)3.1伺服系統(tǒng)概述3.1伺服系統(tǒng)概述

伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一類(lèi)，它的輸出變量通常是機(jī)械或位置的運(yùn)動(dòng)，它的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實(shí)現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動(dòng)、連續(xù)。精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的變化規(guī)律。3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。檢測(cè)環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)控制器輸入指令執(zhí)行元件被控對(duì)象輸出量41、比較環(huán)節(jié)3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。54、被控對(duì)象3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成被控對(duì)象是指被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目標(biāo)的主體，包括傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載，如工業(yè)機(jī)器人的手臂、數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)以及自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)的驅(qū)動(dòng)輪等。5、檢測(cè)環(huán)節(jié)

檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)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。63.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型伺服系統(tǒng)的種類(lèi)有很多，采用不同的分類(lèi)方法，可得到不同類(lèi)型的伺服系統(tǒng)。1、按控制原理分類(lèi)

按控制原理的不同分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)2、按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)3、按控制對(duì)象和使用目的分類(lèi)

按驅(qū)動(dòng)方式的不同分為電氣、液壓和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)

按控制對(duì)象和使用目的的不同可分為進(jìn)給、主軸、輔助等伺服系統(tǒng)71、按控制原理分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)沒(méi)有位置檢測(cè)元件，伺服驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電液微沖馬達(dá)。81、按控制原理分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型這種系統(tǒng)對(duì)機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)或工作臺(tái)移動(dòng)的實(shí)際情況不進(jìn)行檢測(cè)。沒(méi)有被控對(duì)象的反饋信息。輸入量和輸出量之間只有順向左右，沒(méi)有反向聯(lián)系，故稱(chēng)為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。特點(diǎn)：（1）控制精度較低，只有0.01mm左右，且速度有一定限制。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，調(diào)整和維修都比較方便，且工作穩(wěn)定，可靠。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于一些對(duì)精度和速度要求不高的場(chǎng)合（如線切割機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備等）。91、按控制原理分類(lèi)（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測(cè)元件，位置檢測(cè)元件（如感應(yīng)同步器、光柵、磁尺、線紋尺等）不斷地檢測(cè)機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)、溜板箱、刀架等）的位移情況。

101、按控制原理分類(lèi)（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型閉環(huán)伺服系統(tǒng)輸出量不僅受到輸入量（指令）的控制，而且還受反饋信號(hào)的控制。輸出量與輸入量之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系，所以稱(chēng)其為閉環(huán)控制或反饋控制。特點(diǎn)：（1）精度高，但實(shí)現(xiàn)難度很大，而且存在穩(wěn)定性問(wèn)題。（2）系統(tǒng)的控制和調(diào)試復(fù)雜，制造成本高應(yīng)用：高精密和大型機(jī)電一體化設(shè)備。111、按控制原理分類(lèi)（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)利用裝在絲杠軸或齒輪軸上的角位移測(cè)量元件（如編碼盤(pán)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓形光柵、磁尺、感應(yīng)同步器、光電盤(pán)等）測(cè)量絲杠軸或齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)間接地測(cè)量工作臺(tái)位移。121、按控制原理分類(lèi)（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)利用裝在絲杠軸或齒輪軸上的角位移測(cè)量元件（如編碼盤(pán)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓形光柵、磁尺、感應(yīng)同步器、光電盤(pán)等）測(cè)量絲杠軸或齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)間接地測(cè)量工作臺(tái)位移。131、按控制原理分類(lèi)（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度低于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，高于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，介于兩者之間。特點(diǎn)：（1）慣性較大的工作臺(tái)在控制回路之外，故系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，調(diào)試比較容易。（2）角位移測(cè)量元件比線位移測(cè)量元件簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。應(yīng)用：配以傳動(dòng)誤差小的滾珠絲杠-螺母副和精密齒輪的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)比閉環(huán)伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為普遍。142、按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)（1）電氣伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型電氣伺服系統(tǒng)采用伺服電機(jī)為執(zhí)行元件，根據(jù)執(zhí)行元件的不同又分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)伺服系統(tǒng)等。（2）液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)常用的執(zhí)行裝置有液壓油缸、液壓馬達(dá)等。（3）氣動(dòng)伺服系統(tǒng)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)以壓縮空氣為工作介質(zhì)，采用的執(zhí)行裝置包括氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)等。153、按控制對(duì)象和使用目的分類(lèi)（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類(lèi)型進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速遞控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有定位和輪廓跟蹤功能。（2）主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速。（2）輔助伺服系統(tǒng)輔助伺服系統(tǒng)控制刀庫(kù)、料庫(kù)等輔助系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，多采用簡(jiǎn)易的位置控制方式。161、穩(wěn)定性好3.1.3伺服系統(tǒng)的基本要求

伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定下運(yùn)行，或者在輸入的指令信號(hào)作用下，能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。2、精度高

伺服系統(tǒng)精度是指輸出量復(fù)現(xiàn)指令信號(hào)的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過(guò)程中通常存在著三中誤差，即動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。3、快速響應(yīng)性好快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其主要包含兩方面的含義：一是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度；二是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束的迅速程度。173.1.3伺服系統(tǒng)的基本要求4、可靠性高5、調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指伺服系統(tǒng)所能提供的最高速度與最低速度之比，通常指轉(zhuǎn)速之比，即式中，為額定負(fù)載時(shí)最高轉(zhuǎn)速；

為額定負(fù)載時(shí)最低轉(zhuǎn)速；R為調(diào)速范圍。

系統(tǒng)各元件的參數(shù)變化都會(huì)影響系統(tǒng)的性能，如果對(duì)這些變化的適應(yīng)性與自我調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，則系統(tǒng)的性能受元件參數(shù)變化的影響就小，可靠性就高。3.2伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件3.2.1執(zhí)行元件的種類(lèi)及特點(diǎn)

執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置接點(diǎn)部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的作用下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。執(zhí)行元件的種類(lèi)繁多，根據(jù)使用能量的不同，分為電氣式、液壓式和氣壓式等類(lèi)型。1、電氣式執(zhí)行元件以電能為動(dòng)力，利用電能產(chǎn)生位移或轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)整和控制。如交流電機(jī)、直流電機(jī)、力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。2、液壓式執(zhí)行元件是將壓縮液體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。做工介質(zhì)可以是水，但大多數(shù)用油。常見(jiàn)的液壓式執(zhí)行元件有液壓缸、液壓馬達(dá)等；3、氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。3.2.1執(zhí)行元件的種類(lèi)及特點(diǎn)3.2.2執(zhí)行元件的基本要求1、慣性小、動(dòng)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(fù)載能力，希望執(zhí)行元件具有小的慣量并輸出較大的功率；2、體積小、質(zhì)量輕。為使執(zhí)行元件易于安裝及與機(jī)械系統(tǒng)連接，是伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，常希望執(zhí)行元件具有較小的體積和較輕的質(zhì)量；3、便于計(jì)算機(jī)控制。機(jī)電一體化產(chǎn)品多采用計(jì)算機(jī)控制，因而希望執(zhí)行元件也可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制；4、成本低、可靠性好、便于安裝和維修。3.2.3新型執(zhí)行元件1、高溫超導(dǎo)電機(jī)

高溫超導(dǎo)電采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組代替常規(guī)勵(lì)磁繞組，主要由定子、轉(zhuǎn)子、低溫冷卻系統(tǒng)和失超保護(hù)系統(tǒng)組成。其中定子由電樞、機(jī)座、軸承組成，轉(zhuǎn)子由冷媒傳輸裝置、高溫超導(dǎo)磁體、磁體支撐系統(tǒng)、轉(zhuǎn)軸、外轉(zhuǎn)子真空屏等組成。高溫超導(dǎo)磁體在低溫下具有載流密度大、產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)、無(wú)損耗等特點(diǎn)，其強(qiáng)磁場(chǎng)特性降低了電機(jī)的體積和質(zhì)量，提高了電機(jī)功率密度和電機(jī)效率。（1）、高溫超導(dǎo)電機(jī)的組成3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、高溫超導(dǎo)電機(jī)的特點(diǎn)a、低溫下具有零電阻特性，載流能力強(qiáng)；b、電機(jī)的體積和質(zhì)量?。籧、具有高功率密度、高效率、低振動(dòng)噪聲、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)周期熱負(fù)載等。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、高溫超導(dǎo)電機(jī)的應(yīng)用

目前，在船舶電力推進(jìn)、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電、大功率電器傳動(dòng)、工業(yè)發(fā)電、航天發(fā)射等許多大中型電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在對(duì)電機(jī)體積、質(zhì)量有嚴(yán)格要求的船舶電力推進(jìn)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

我國(guó)高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究起步研究較晚，研究的深度和廣度還不夠，基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平與技術(shù)手段與美國(guó)和德國(guó)相比還存在明顯差距。3.2.3新型執(zhí)行元件

（2）超聲波電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、力矩大、響應(yīng)快、控制精度高,可以運(yùn)用于照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦、門(mén)式窗簾的直接驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制等場(chǎng)合。2、超聲波電動(dòng)機(jī)（1）超聲波電機(jī)的工作原理及組成

超聲波電動(dòng)機(jī)是一種新的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī),它沒(méi)有繞組和磁路,不以電磁相瓦作用來(lái)傳遞能量,而是基于壓電材科的逆壓電效應(yīng),利用超聲波振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、壓力彈簧和轉(zhuǎn)軸等部件。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、超聲波電機(jī)分類(lèi)

超聲波電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),按照驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可分為駐波型和行波型兩種。

a、駐波型是利用與壓電材料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),屬于間斷驅(qū)動(dòng)方式;

b、行波型則是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單向的行波,利用行波表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡來(lái)傳遞能量,屬于連續(xù)驅(qū)動(dòng)方式。3.2.3新型執(zhí)行元件（4）、超聲波電機(jī)的速度控制

超聲波電動(dòng)機(jī)的速度控制可通過(guò)變壓、變頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，另外，改變定子兩相相位差也可對(duì)速度進(jìn)行控制。變頻控制可以充分利用超聲波電動(dòng)機(jī)低速、大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，且有較高效率，因而成為首選。相位差控制可平滑調(diào)速和改變轉(zhuǎn)向，適用于需要柔順驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。3.2.3新型執(zhí)行元件3、壓電式驅(qū)動(dòng)器

壓電式驅(qū)動(dòng)器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作微量位移。壓電材料具有雙向的壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)是指壓電材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變,在其表面上產(chǎn)生電荷;而逆壓電效應(yīng)是指壓電材料在外界電場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)變,其應(yīng)變大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,應(yīng)變方向取決于電場(chǎng)方向。（1）、壓電式驅(qū)動(dòng)器的工作原理3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、壓電式驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)a、位移量大(行程可達(dá)數(shù)厘米);b、移動(dòng)精度和分辨率極高(位移精度可達(dá)0.05um,分辨率可達(dá)0.006um每步);c、動(dòng)作快(移動(dòng)速度可達(dá)20mm/min);d、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小;易于遙控。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、典型的壓電式驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)壓電陶瓷管1通電時(shí)向左伸長(zhǎng),推動(dòng)刀體中的滑柱2、方形楔塊4和圓柱楔塊8左移。借助于楔塊8的斜面,克服壓板彈簧5的彈力,將固定鏜刀6的刀套7項(xiàng)起,實(shí)現(xiàn)鏜刀6的一次微量位移。相反,當(dāng)對(duì)壓電陶瓷管通反向直流電壓時(shí),則壓電陶瓷管1向右收縮,楔塊4右側(cè)出現(xiàn)空隙。在圓柱彈簧3的作用下,方形楔塊4向下移動(dòng),以填補(bǔ)由于壓電陶瓷管收縮時(shí)所騰出的空隙。3.2.3新型執(zhí)行元件4、磁致伸縮執(zhí)行器

磁致伸縮執(zhí)行器是利用某些材料在磁場(chǎng)作用下具有尺寸變化的磁致伸縮效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)微量位移的一種執(zhí)行元件。磁致伸縮效應(yīng)是指某些材料在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)變,其應(yīng)變大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。（1）、工作原理3.2.3新型執(zhí)行元件

圖3.8給出了磁致伸縮式微量進(jìn)給的工作原理。磁致伸縮棒的左端固定在機(jī)座上,其右端與運(yùn)動(dòng)部件相連。當(dāng)繞在伸縮棒外的線圈通入勵(lì)磁電流后,在磁場(chǎng)作用下伸縮棒將產(chǎn)生相應(yīng)的變形,使運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)微量移動(dòng)。改變線圈的通電電流可改變磁場(chǎng)強(qiáng)度,使磁致伸縮棒產(chǎn)生不同的伸縮變形,從而使運(yùn)動(dòng)部件得到不同的微量位移。3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、磁致伸縮執(zhí)行器的特點(diǎn)a、重復(fù)精度高,無(wú)間隙;b、剛性好,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,工作穩(wěn)定性好;c、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊;d、進(jìn)給量有限。3.2.3新型執(zhí)行元件5、電熱式驅(qū)動(dòng)器（1）、工作原理

電熱式驅(qū)動(dòng)器利用電熱元件(如金屬棒)通電后產(chǎn)生的熱變形來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微小直線位移,可通過(guò)控制電熱器(電阻絲)的加入電流來(lái)改變位移量,利用變壓器或