《機電一體化技術》課件-第三章 3.1-3.2

第3章伺服驅動技術機電一體化技術3.1伺服系統(tǒng)概述3.1伺服系統(tǒng)概述

伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機械或位置的運動，它的根本任務是實現執(zhí)行機構對給定指令的準確跟蹤，即實現輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)。精確地復現輸入指令信號的變化規(guī)律。3.1.1伺服系統(tǒng)的構成

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。檢測環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)控制器輸入指令執(zhí)行元件被控對象輸出量41、比較環(huán)節(jié)3.1.1伺服系統(tǒng)的構成比較環(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。

2、控制器

控制器通常是計算機或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。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化成機械能，驅動被控對象工作。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、氣動伺服機構等。54、被控對象3.1.1伺服系統(tǒng)的構成被控對象是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目標的主體，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、數控機床的工作臺以及自動引導車的驅動輪等。5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。63.1.2伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的種類有很多，采用不同的分類方法，可得到不同類型的伺服系統(tǒng)。1、按控制原理分類

按控制原理的不同分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)2、按驅動方式分類3、按控制對象和使用目的分類

按驅動方式的不同分為電氣、液壓和氣動伺服系統(tǒng)

按控制對象和使用目的的不同可分為進給、主軸、輔助等伺服系統(tǒng)71、按控制原理分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置檢測元件，伺服驅動元件為步進電動機或電液微沖馬達。81、按控制原理分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型這種系統(tǒng)對機床傳動機構的傳動或工作臺移動的實際情況不進行檢測。沒有被控對象的反饋信息。輸入量和輸出量之間只有順向左右，沒有反向聯系，故稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)。特點：（1）控制精度較低，只有0.01mm左右，且速度有一定限制。（2）結構簡單，成本低，調整和維修都比較方便，且工作穩(wěn)定，可靠。應用：廣泛應用于一些對精度和速度要求不高的場合（如線切割機、辦公自動化設備等）。91、按控制原理分類（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測元件，位置檢測元件（如感應同步器、光柵、磁尺、線紋尺等）不斷地檢測機床移動部件（如工作臺、溜板箱、刀架等）的位移情況。

101、按控制原理分類（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型閉環(huán)伺服系統(tǒng)輸出量不僅受到輸入量（指令）的控制，而且還受反饋信號的控制。輸出量與輸入量之間既有順向作用，又有反向聯系，所以稱其為閉環(huán)控制或反饋控制。特點：（1）精度高，但實現難度很大，而且存在穩(wěn)定性問題。（2）系統(tǒng)的控制和調試復雜，制造成本高應用：高精密和大型機電一體化設備。111、按控制原理分類（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)利用裝在絲杠軸或齒輪軸上的角位移測量元件（如編碼盤、旋轉變壓器、圓形光柵、磁尺、感應同步器、光電盤等）測量絲杠軸或齒輪軸的轉動來間接地測量工作臺位移。121、按控制原理分類（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)利用裝在絲杠軸或齒輪軸上的角位移測量元件（如編碼盤、旋轉變壓器、圓形光柵、磁尺、感應同步器、光電盤等）測量絲杠軸或齒輪軸的轉動來間接地測量工作臺位移。131、按控制原理分類（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度低于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，高于開環(huán)伺服系統(tǒng)，介于兩者之間。特點：（1）慣性較大的工作臺在控制回路之外，故系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，調試比較容易。（2）角位移測量元件比線位移測量元件簡單、價格低廉。應用：配以傳動誤差小的滾珠絲杠-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)應用更為普遍。142、按驅動方式分類（1）電氣伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型電氣伺服系統(tǒng)采用伺服電機為執(zhí)行元件，根據執(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、液壓馬達等。（3）氣動伺服系統(tǒng)氣動伺服系統(tǒng)以壓縮空氣為工作介質，采用的執(zhí)行裝置包括氣缸、氣動馬達等。153、按控制對象和使用目的分類（1）進給伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型進給伺服系統(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)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標軸的進給運動，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)主要實現主軸的旋轉運動，提供切削過程中的轉矩和功率，且保證任意轉速的調節(jié)，完成在轉速范圍內的無級變速。（2）輔助伺服系統(tǒng)輔助伺服系統(tǒng)控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)的運動，多采用簡易的位置控制方式。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)定性是指當作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定下運行，或者在輸入的指令信號作用下，能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。2、精度高

伺服系統(tǒng)精度是指輸出量復現指令信號的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在著三中誤差，即動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。3、快速響應性好快速響應性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的一項重要指標，其主要包含兩方面的含義：一是指動態(tài)響應過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度；二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度。173.1.3伺服系統(tǒng)的基本要求4、可靠性高5、調速范圍寬調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，通常指轉速之比，即式中，為額定負載時最高轉速；

為額定負載時最低轉速；R為調速范圍。

系統(tǒng)各元件的參數變化都會影響系統(tǒng)的性能，如果對這些變化的適應性與自我調節(jié)能力強，則系統(tǒng)的性能受元件參數變化的影響就小，可靠性就高。3.2伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件3.2.1執(zhí)行元件的種類及特點

執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉換裝置，它能在控制裝置的作用下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能。執(zhí)行元件的種類繁多，根據使用能量的不同，分為電氣式、液壓式和氣壓式等類型。1、電氣式執(zhí)行元件以電能為動力，利用電能產生位移或轉角，從而實現對被控對象的調整和控制。如交流電機、直流電機、力矩電機、步進電機等。2、液壓式執(zhí)行元件是將壓縮液體的能量轉換為機械能，拖動負載實現直線或回轉運動。做工介質可以是水，但大多數用油。常見的液壓式執(zhí)行元件有液壓缸、液壓馬達等；3、氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質由液體改為氣體。3.2.1執(zhí)行元件的種類及特點3.2.2執(zhí)行元件的基本要求1、慣性小、動力大。為使伺服系統(tǒng)具有良好的快速響應性能和足夠的負載能力，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、質量輕。為使執(zhí)行元件易于安裝及與機械系統(tǒng)連接，是伺服系統(tǒng)結構緊湊，常希望執(zhí)行元件具有較小的體積和較輕的質量；3、便于計算機控制。機電一體化產品多采用計算機控制，因而希望執(zhí)行元件也可通過計算機控制；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、高溫超導電機

高溫超導電采用超導勵磁繞組代替常規(guī)勵磁繞組，主要由定子、轉子、低溫冷卻系統(tǒng)和失超保護系統(tǒng)組成。其中定子由電樞、機座、軸承組成，轉子由冷媒傳輸裝置、高溫超導磁體、磁體支撐系統(tǒng)、轉軸、外轉子真空屏等組成。高溫超導磁體在低溫下具有載流密度大、產生磁場強、無損耗等特點，其強磁場特性降低了電機的體積和質量，提高了電機功率密度和電機效率。（1）、高溫超導電機的組成3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、高溫超導電機的特點a、低溫下具有零電阻特性，載流能力強；b、電機的體積和質量?。籧、具有高功率密度、高效率、低振動噪聲、過載能力強、無周期熱負載等。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、高溫超導電機的應用

目前，在船舶電力推進、直驅風力發(fā)電、大功率電器傳動、工業(yè)發(fā)電、航天發(fā)射等許多大中型電機應用領域，特別是在對電機體積、質量有嚴格要求的船舶電力推進和直驅風力發(fā)電領域，有著十分廣闊的應用前景。

我國高溫超導電機的研究起步研究較晚，研究的深度和廣度還不夠，基礎研究、技術水平與技術手段與美國和德國相比還存在明顯差距。3.2.3新型執(zhí)行元件

（2）超聲波電機的特點及應用

超聲波電動機結構簡單、體積小、重量輕、力矩大、響應快、控制精度高,可以運用于照相機的自動調焦、門式窗簾的直接驅動、機器人的關節(jié)控制等場合。2、超聲波電動機（1）超聲波電機的工作原理及組成

超聲波電動機是一種新的微型驅動電機,它沒有繞組和磁路,不以電磁相瓦作用來傳遞能量,而是基于壓電材科的逆壓電效應,利用超聲波振動來實現機電能量轉換。超聲波電動機的基本結構主要包括定子、轉子、壓力彈簧和轉軸等部件。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、超聲波電機分類

超聲波電動機的分類還沒有統(tǒng)一的標準,按照驅動轉子運動的機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激發(fā)的駐波來推動轉子運動,屬于間斷驅動方式;

b、行波型則是在彈性體內產生單向的行波,利用行波表面質點的振動軌跡來傳遞能量,屬于連續(xù)驅動方式。3.2.3新型執(zhí)行元件（4）、超聲波電機的速度控制

超聲波電動機的速度控制可通過變壓、變頻來實現，另外，改變定子兩相相位差也可對速度進行控制。變頻控制可以充分利用超聲波電動機低速、大轉矩、動態(tài)響應快等優(yōu)點，且有較高效率，因而成為首選。相位差控制可平滑調速和改變轉向，適用于需要柔順驅動的系統(tǒng)。3.2.3新型執(zhí)行元件3、壓電式驅動器

壓電式驅動器是利用壓電材料的逆壓電效應來驅動執(zhí)行機構作微量位移。壓電材料具有雙向的壓電效應,正壓電效應是指壓電材料在外力作用下產生應變,在其表面上產生電荷;而逆壓電效應是指壓電材料在外界電場作用下產生應變,其應變大小與電場強度成正比,應變方向取決于電場方向。（1）、壓電式驅動器的工作原理3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、壓電式驅動器的特點a、位移量大(行程可達數厘米);b、移動精度和分辨率極高(位移精度可達0.05um,分辨率可達0.006um每步);c、動作快(移動速度可達20mm/min);d、結構簡單,尺寸小;易于遙控。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、典型的壓電式驅動器

當壓電陶瓷管1通電時向左伸長,推動刀體中的滑柱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項起,實現鏜刀6的一次微量位移。相反,當對壓電陶瓷管通反向直流電壓時,則壓電陶瓷管1向右收縮,楔塊4右側出現空隙。在圓柱彈簧3的作用下,方形楔塊4向下移動,以填補由于壓電陶瓷管收縮時所騰出的空隙。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作用下具有尺寸變化的磁致伸縮效應來實現微量位移的一種執(zhí)行元件。磁致伸縮效應是指某些材料在磁場作用下產生應變,其應變大小與磁場強度成正比。（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給的工作原理。磁致伸縮棒的左端固定在機座上,其右端與運動部件相連。當繞在伸縮棒外的線圈通入勵磁電流后,在磁場作用下伸縮棒將產生相應的變形,使運動部件實現微量移動。改變線圈的通電電流可改變磁場強度,使磁致伸縮棒產生不同的伸縮變形,從而使運動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a、重復精度高,無間隙;b、剛性好,轉動慣量小,工作穩(wěn)定性好;c、結構簡單、緊湊;d、進給量有限。3.2.3新型執(zhí)行元件5、電熱式驅動器（1）、工作原理

電熱式驅動器利用電熱元件(如金屬棒)通電后產生的熱變形來驅動執(zhí)行機構的微小直線位移,可通過控制電熱器(電阻絲)的加入電流來改變位移量,利用變壓器或