機器人伺服控制系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)-課件 第一章 緒論

機器人伺服控制第一章緒論機器人伺服控制機器人技術(shù)作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自上世紀四十、五十年代問世以來，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進步！在人們的生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用！機器人伺服控制機器人“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”機器人伺服控制機器人“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”由于大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)同機器人技術(shù)相互融合步伐加快，3D打印、人工智能迅猛發(fā)展，制造機器人的軟硬件技術(shù)日趨成熟……軍用無人機、自動駕駛汽車、家政服務(wù)機器人已經(jīng)成為現(xiàn)實，有的人工智能機器人已具有相當程度的自主思維和學(xué)習(xí)能力……我就在想，我國將成為機器人的最大市場…….我們要審時度勢、全盤考慮、抓緊謀劃、扎實推進?！?xí)主席在2014年兩院院士大會上的講話

機器人伺服控制第一代機器人是一種進行重復(fù)操作的機械、主要是通常所說的機械手，它雖配有電子存儲裝置，能記憶重復(fù)動作，然而因未采用外部傳感器，所以沒有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力1961年，通用汽車公司生產(chǎn)線UnimateandJosephEngelberger

機器人伺服控制第二代機器人由于采用了傳感器，已初步具有感覺-反饋控制的能力，能進行識別、選取判斷。使機器人具有了初步的智能。傳感器的采用與否已成為衡量第二代機器人的重要特征Helpmate是第二代機器人的代表機器人伺服控制第三代機器人為高一級的智能機器人，“智能化”是這代機器人的重要標志機器人伺服控制機器人伺服控制機器人技術(shù)是集機械工程學(xué)、計算機科學(xué)、控制工程、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科為一體的綜合技術(shù)，是多學(xué)科科技革命的必然結(jié)果。每一臺機器人都是一個知識密集和技術(shù)密集的高科技機電一體化產(chǎn)品。機器人伺服控制機器人的控制分為機械本體控制和伺服機構(gòu)控制兩大類，伺服控制系統(tǒng)則是實現(xiàn)機器人機械本體控制和伺服機構(gòu)控制的重要部分。因而要了解機器人的運作過程，必然繞不過伺服系統(tǒng)機器人伺服控制機器人的工作表現(xiàn)受伺服系統(tǒng)影響極大，因而精密伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標永遠都是先進性比較的首要因素。國外先進伺服系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用的需求，其研發(fā)資源集中在個別高端應(yīng)用及整體性能提升方面，處于精雕細刻階段。在工業(yè)4.0的大背景下，國產(chǎn)伺服任重而道遠，還需努力追趕課程簡介教學(xué)內(nèi)容以機器人伺服控制系統(tǒng)為對象，在闡述伺服系統(tǒng)原理、電力電子技術(shù)等基礎(chǔ)上，從伺服系統(tǒng)發(fā)展的角度出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了步進式電機、直流伺服電機、交流伺服電機、氣動驅(qū)動及控制等的原理及應(yīng)用教學(xué)目標使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，了解當前國內(nèi)外機器人伺服控制的研究、應(yīng)用狀況以及發(fā)展趨勢，初步具備機器人伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計能力，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力課程簡介教材機器人伺服控制系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)，孫巍偉編著，化學(xué)工業(yè)出版社參考書目機器人驅(qū)動與控制及應(yīng)用實例，黃值堅編著，化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)機器人運動控制技術(shù)，張明文、于霜主編，機械工業(yè)出版社工業(yè)運動控制:電機選擇、驅(qū)動器和控制器應(yīng)用，[美]哈肯·基洛卡（HakanGürocak）著，尹泉、王慶義等譯，機械工業(yè)出版社課程主要教學(xué)內(nèi)容理論教學(xué)（32學(xué)時）緒論（2學(xué)時）機器人的本體（4學(xué)時）步進電機驅(qū)動與控制（4學(xué)時）直流伺服電機驅(qū)動與控制（4學(xué)時）交流伺服電機驅(qū)動與控制（4學(xué)時）伺服驅(qū)動器（3學(xué)時）運動控制器（3學(xué)時）氣動驅(qū)動與控制（2學(xué)時）液壓驅(qū)動與控制（2學(xué)時）生產(chǎn)線實例（4學(xué)時）實驗教學(xué)（8學(xué)時）運動控制卡應(yīng)用（2學(xué)時）步進電機驅(qū)動與控制（3學(xué)時）伺服電機驅(qū)動與控制（3學(xué)時）課程安排總學(xué)時：40授課時數(shù)：32實驗時數(shù)：8成績構(gòu)成：平時（課堂互動、紀律、作業(yè)等）：30%

課程論文：50%

實驗：20%主要內(nèi)容contents1.1機器人基礎(chǔ)知識1.2伺服控制系統(tǒng)1.3機器人伺服控制系統(tǒng)第一章緒論1.1

機器人基礎(chǔ)知識機器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不是買來就能用的，需要對其進行編程，把機器人本體與控制軟件、應(yīng)用軟件、周邊設(shè)備等集成起來，它們通常集成為一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為一個整體來完成指定任務(wù)1886年法國作家利爾亞當在他的小說《未來的夏娃》中將外表像人的機器定義為機器人，由4部分組成：生命系統(tǒng)：平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動、感覺、表情、調(diào)節(jié)運動等造型解質(zhì)：實際上相當于機器人的骨骼和關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)能自由運動的金屬覆蓋體，一種盔甲

人造肌肉：在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài)人造皮膚：含有膚色、機理、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等1.1.1

機器人的定義1967年日本召開的第一屆機器人學(xué)術(shù)會議上，加藤一郎提出的具有如下三個條件的機器稱為機器人：具有腦、手、腳等三要素的個體具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器具有平衡覺和固定覺傳感器1.1.1

機器人的定義1987年國際標準化組織的定義：機器人的動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物的某些器官（肢體、感受等）的功能機器人具有通用性，可從事多種工作，可靈活改變動作程序機器人具有不同程度的智能，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)1.1.1

機器人的定義中國科學(xué)家定義：機器人是一種具有高度靈活性的自動化機器，這種機器除能動作外，還具備了一些與人或生物相似的智能，如感知、規(guī)劃、動作和協(xié)同能力。1.1.1

機器人的定義按照應(yīng)用環(huán)境分類工業(yè)機器人能模擬人的手、臂的部分動作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工的自動化裝置優(yōu)點在于它可以通過更改程序，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，以滿足生產(chǎn)要求的變化1.1.2

機器人的分類按照應(yīng)用環(huán)境分類工業(yè)機器人1.1.2

機器人的分類按照應(yīng)用環(huán)境分類服務(wù)機器人一般具有可移動性，在移動平臺上搭載有一些手臂進行操作，同時還裝有一些力覺傳感器和視覺傳感器、超聲測距傳感器等等對周邊的環(huán)境進行識別，來判斷它的運動，完成某種工作，這是服務(wù)機器人的基本的一個特點1.1.2

機器人的分類按照應(yīng)用環(huán)境分類服務(wù)機器人1.1.2

機器人的分類按照應(yīng)用環(huán)境分類特種機器人指在人們難以進入的核電站、海底、宇宙空間進行作業(yè)的機器人，也包括軍用、建筑、農(nóng)業(yè)機器人等1.1.2

機器人的分類Spirit火星漫游車CanadaArm太空機械臂水下滑翔機按照應(yīng)用環(huán)境分類特種機器人1.1.2

機器人的分類按照應(yīng)用環(huán)境分類智能機器人具有多種由內(nèi)、外部傳感器組成的感覺系統(tǒng)，不僅可以感知內(nèi)部關(guān)節(jié)的運行速度、力的大小等參數(shù)，還可以通過外部傳感器(如視覺、觸覺傳感器等)，對外部環(huán)境信息進行感知、提取、處理并做出適當決策，自主完成某項任務(wù)1.1.2

機器人的分類按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類1.1.2

機器人的分類直角坐標型機器人特點：直角坐標型機器人的位置精度高，控制無耦合、簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，無法調(diào)節(jié)工具姿態(tài)，靈活性差，難與其他機器人協(xié)調(diào)，移動軸的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且占地面積較大工業(yè)機器人的分類按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類1.1.2

機器人的分類圓柱坐標型機器人特點：圓柱坐標型機器人的位置精度僅次于直角坐標型，控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大，難與其他機器人協(xié)調(diào)工作，兩個移動軸的設(shè)計較復(fù)雜工業(yè)機器人的分類按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類1.1.2

機器人的分類球坐標型機器人特點：占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)工業(yè)機器人的分類按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類1.1.2

機器人的分類關(guān)節(jié)坐標型機器人特點：垂直關(guān)節(jié)坐標型機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，是目前應(yīng)用最多的一類機器人，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復(fù)雜工業(yè)機器人的分類（1）直角坐標型（2）圓柱坐標型（3）球坐標型（4）多關(guān)節(jié)型四種坐標型機器人的機構(gòu)簡圖按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類1.1.2

機器人的分類工業(yè)機器人的分類按控制方式分類非伺服機器人按照預(yù)先編好的程序順序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動伺服控制機器人通過傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的綜合信號比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，進而帶動手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運動，到達規(guī)定的位置或速度等是一個反饋控制系統(tǒng)1.1.2

機器人的分類工業(yè)機器人的分類非伺服機器人按照預(yù)先編好的程序順序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動插銷板是用來預(yù)先規(guī)定機器人的工作順序，而且往往是可調(diào)的定序器是一種按照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動裝置的能源驅(qū)動裝置接通能源后，就帶動機器人的手臂、腕部和手部等裝置運動非伺服機器人工作能力有限當移動到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時，限位開關(guān)切換工作狀態(tài)，給定序器送去一個工作任務(wù)已經(jīng)完成的信號，并始終端制動器動作，切斷驅(qū)動能源，使機器人停止運動1.1.2

機器人的分類工業(yè)機器人的分類伺服控制機器人通過傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的綜合信號比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，進而帶動手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運動，到達規(guī)定的位置或速度等被控量可為機器人手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等比非伺服機器人有更強的工作能力按照控制的空間位置不同，可分為點位伺服控制、連續(xù)軌跡伺服控制1.1.2

機器人的分類工業(yè)機器人的分類伺服控制機器人--點位伺服控制受控運動方式為從一個點位目標移向另一個點位目標，只在目標點上完成操作機器人可以以最快的和最直接的路徑從一個端點移到另一端點其運動為空間點到點之間的直線運動，在作業(yè)過程中只控制幾個特定工作點的位置，不對點與點之間的運動過程進行控制通常，點位伺服控制機器人能用于只有終端位置是重要而對編程點之間的路徑和速度不做主要考慮的場合點位控制主要用于點焊、搬運機器人1.1.2

機器人的分類工業(yè)機器人的分類伺服控制機器人--連續(xù)軌跡伺服控制能夠平滑地跟隨某個規(guī)定的路徑，其軌跡往往是某條不在預(yù)編程端點停留的曲線路徑運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線機器人在空間的整個運動過程都處于控制之下，能同時控制兩個以上的運動軸，使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運動，而手部的姿態(tài)也可以通過腕關(guān)節(jié)的運動得以控制具有良好的控制和運行特性，數(shù)據(jù)是依時間采樣，不是依預(yù)先規(guī)定的空間采樣，因此機器人的運行速度較快、功率較小、負載能力也較小主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測機器人1.1.2

機器人的分類工業(yè)機器人的分類自由度機器人能獨立運動的關(guān)節(jié)（包括轉(zhuǎn)動和移動）的數(shù)目自由度是操作機獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)（不包括手指），它是對機器人進行運動和受力分析的原始數(shù)據(jù)自由度數(shù)目是反映操作機的通用性和適應(yīng)性的一項重要指標。自由度越多則越通用，但也越復(fù)雜，機器人自由度大多為3-6個1.1.3

機器人主要參數(shù)例：圖中機器人共有L1、L2兩個平移自由度和φ1、φ2、φ3這三個旋轉(zhuǎn)自由度，共5個自由度自由度1.1.3

機器人主要參數(shù)工作空間（工作范圍、工作區(qū)域）指不安裝末端執(zhí)行器時的工作區(qū)域機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域其形狀取決于機器人的自由度數(shù)和各運動關(guān)節(jié)的類型與配置1.1.3

機器人主要參數(shù)工作速度一般來說，工作速度是指機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度不同廠家對工作速度規(guī)定的內(nèi)容也有所不同，有的廠家定義工作速度為工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義工作速度為手臂末端最大的合成速度1.1.3

機器人主要參數(shù)工作速度1.1.3

機器人主要參數(shù)在使用或設(shè)計機器人時，確定機器人手臂的最大行程后，根據(jù)循環(huán)時間安排每個動作的時間，并確定各動作是同時進行還是順序進行，這樣就可以確定各動作的運動速度。分配各動作的時間除考慮工藝動作要求外，還要考慮慣性和行程大小、驅(qū)動和控制方式、定位和精度要求。為了提高生產(chǎn)率，要求縮短整個運動循環(huán)時間。運動循環(huán)包括加速起動、等速運行和減速制動3個過程。過大的加(減)速度會導(dǎo)致慣性力加大，影響動作的平穩(wěn)和精度。為了保證定位精度，加減速過程往往占用較長時間。工作載荷又稱為承載能力，是機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負載重量（包括手部），即在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大重量通常用重量、力矩、慣性矩來表示負載大小主要考慮機器人各運動軸上所受的力和力矩。承載能力不僅決定于負載的重量、機器人末端執(zhí)行器的重量，即手部的重量、抓取工件的重量，而且與機器人運行速度和加速度的大小和方向，即由運動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩有關(guān)1.1.3

機器人主要參數(shù)分辨率由系統(tǒng)設(shè)計檢測參數(shù)決定，并受到位置反饋檢測單元性能的影響指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度分辨率分為編程分辨率與控制分辨率，統(tǒng)稱為系統(tǒng)分辨率編程分辨率是指程序中可設(shè)定的最小距離單位，又稱為基準分辨率。例如，當電動機旋轉(zhuǎn)0.1°，機器人腕點(手臂尖端點)移動的直線距離為0.01mm時，其基準分辨率為0.01mm控制分辨率是位置反饋回路能夠檢測到的最小位移量。例如，若每周（轉(zhuǎn)）1000個脈沖的增量式編碼盤與電動機同軸安裝，則電動機每旋轉(zhuǎn)0.36°(360°，1000r/min)，編碼盤就發(fā)出一個脈沖，0.36°以下的角度變化無法檢測，則該系統(tǒng)的控制分辨率為0.361.1.3

機器人主要參數(shù)精度1.1.3

機器人主要參數(shù)精度1.1.3

機器人主要參數(shù)(2)控制算法誤差主要指算法能否得到直接解和算法在計算機內(nèi)的運算字長所造成的比特(bit)誤差。因為16位以上CPU進行浮點運算時，精度可達到82位以上，所以比特誤差與機構(gòu)誤差相比基本可以忽略不計。(3)分辨率系統(tǒng)誤差可取1/2基準分辨率，其理由是基準分辨率以下的變位既無法編程又無法檢測。機器人的精度可認為是1/2基準分辨率與機械誤差之和，即機器人的精度=1/2基準分辨率+機械誤差若能夠做到使機械的綜合誤差達到1/2基準分辨率，則精度等于分辨率。但是，就目前的科技水平而言，除納米領(lǐng)域的機構(gòu)以外，工業(yè)機器人尚難以實現(xiàn)。重復(fù)定位精度在相同的運動位置命令下，機器人連續(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量若機器人重復(fù)執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過的距離并不相同，而是在一平均值附近變化，則該平均值代表精度，而變化的幅度代表重復(fù)定位精度。因此，重復(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)1.1.3

機器人主要參數(shù)重復(fù)定位精度1.1.3

機器人主要參數(shù)重復(fù)定位精度如，對某型號機器人的測試結(jié)果為：在20mm/s、200mm/s的速度下分別重復(fù)10次，其重復(fù)定位精度為0.4mm，如圖，則重復(fù)定位精度為±0.2mm，指所有的動作位置停止點均在以平均值位置為中心的0.2mm范圍內(nèi)伺服來自英文單詞Servo，以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)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、加速度和力矩所有機電一體化設(shè)備的核心基本設(shè)計要求是輸出量能迅速而準確地響應(yīng)輸入指令變化，如機械手控制系統(tǒng)的目標是使機械手能夠按照指定的軌跡進行運動什么是伺服控制系統(tǒng)？1.2

伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)是一種能對機械運動按預(yù)定要求進行自動控制的系統(tǒng)，即被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的控制系統(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）輸出量以一定準確度隨時跟蹤輸入量（指定目標）變化的控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程什么是伺服控制系統(tǒng)？1.2

伺服控制系統(tǒng)1.2

伺服控制系統(tǒng)輸入量輸出量控制操作輸入量控制操作輸出量

反饋環(huán)測量1934年第一次提出了伺服機構(gòu)（Servomechanism）1944年世界上第一個伺服系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院成功研制隨著自動控制理論的發(fā)展，到20世紀中期，伺服系統(tǒng)的理論和實踐均趨于成熟在近幾年新技術(shù)的推動下，特別是伴隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)應(yīng)用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)1.2

伺服控制系統(tǒng)我國從1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術(shù)，主要研究力量集中在高等院校和科研單位，以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應(yīng)用方向，不考慮成本因素。主要研究機構(gòu)是北京機床所、西安微電機研究所、中科院沈陽自動化所等80年代之后開始進入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000年，國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài)，技術(shù)水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內(nèi)幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品1.2

伺服控制系統(tǒng)機電伺服技術(shù)的發(fā)展階段1.2

伺服控制系統(tǒng)步進電動機驅(qū)動的液壓伺服馬達或功率步進電動機直接驅(qū)動為中心此階段（20世紀60年代以前)，伺服系統(tǒng)位置控制多為開環(huán)系統(tǒng)特點液壓伺服系統(tǒng)能夠傳遞巨大的轉(zhuǎn)矩，控制簡單，可靠性高，在整個速度范圍內(nèi)保持恒定的轉(zhuǎn)矩輸出存在發(fā)熱大、效率低、易污染環(huán)境、不易維修等缺點主要應(yīng)用重型設(shè)備和一些關(guān)鍵場合，比如機場設(shè)備機電伺服技術(shù)的發(fā)展階段1.2

伺服控制系統(tǒng)直流伺服電機的誕生和全盛發(fā)展的時代此階段（20世紀60～70年代），很多高性能驅(qū)動裝置采用了直流電機，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)特點直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，換向器成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸機電伺服技術(shù)的發(fā)展階段1.2

伺服控制系統(tǒng)機電一體化時代此階段（20世紀80年代至今）是以機電一體化時代作為背景的。出現(xiàn)了無刷直流伺服電機(方波驅(qū)動)、交流伺服電機(正弦波驅(qū)動)、矢量控制的感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機等新型電機特點交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來各種缺點，過載能力強和轉(zhuǎn)動慣量低體現(xiàn)出了交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動系統(tǒng)狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)，其被控制量（輸出量）是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量（輸入量）作任意變化時，系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化1.2.1

伺服系統(tǒng)組成基本工作原理位置檢測裝置將檢測到的移動部件的實際位移量進行位置反饋，與位置指令信號進行比較，將兩者的差值進行位置調(diào)節(jié)，變換成速度控制信號，控制驅(qū)動裝置驅(qū)動伺服電動機以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到指令位置與反饋的實際位置的差值等于零為止1.2.1

伺服系統(tǒng)組成從自動控制理論的角度來分析，伺服系統(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1.2.1

伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成原理框圖比較元件調(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，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)調(diào)節(jié)元件（控制器）通常是計算機或PID（比例、積分和微分）控制電路主要任務(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1.2.1

伺服系統(tǒng)組成執(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)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)等被控對象指被控制的物件，是直接完成系統(tǒng)目的的主體被控對象一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載，例如機械手臂，或機械工作平臺1.2.1

伺服系統(tǒng)組成檢測環(huán)節(jié)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包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路1.2.1

伺服系統(tǒng)組成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伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件1.2.1

伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件1.2.1

伺服系統(tǒng)組成電氣式執(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。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，便于維修等液壓式執(zhí)行元件包括往復(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、快速性好等特點伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件1.2.1

伺服系統(tǒng)組成氣壓式執(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伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件1.2.1

伺服系統(tǒng)組成種類特點優(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)境常用的控制用電機1.2.1

伺服系統(tǒng)組成機電一體化產(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常用的控制用電機1.2.1

伺服系統(tǒng)組成系統(tǒng)精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度1.2.2伺服系統(tǒng)性能的基本要求影響伺服系統(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部分精度允許的偏差一般在0.01～0.001mm穩(wěn)定性好作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，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，在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)如部分伺服系統(tǒng)要求靜態(tài)速降應(yīng)小于5％，動態(tài)速降小于10％工作頻率范圍大指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍當工作頻率信號輸入時，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統(tǒng)不能正常工作1.2.2伺服系統(tǒng)性能的基本要求快速響應(yīng)性好一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大節(jié)能高由于伺服系統(tǒng)的快速相應(yīng)，設(shè)備能夠根據(jù)自身的需要對供給進行快速的調(diào)整，能夠有效提高設(shè)備的電能的利用率，從而達到高效節(jié)能1.2.2伺服系統(tǒng)性能的基本要求伺服系統(tǒng)的分類方法：1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類按照功能特征分類按照控制方式分類按照驅(qū)動方式分類按被控制量性質(zhì)分類位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式按執(zhí)行元件分類步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類按功能特征分類位置伺服點位伺服連續(xù)軌跡伺服直線伺服輪廓伺服速度伺服轉(zhuǎn)矩伺服按功能特征分類1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類位置伺服：位置控制是指轉(zhuǎn)角位置或直線移動位置的控制按數(shù)控原理分為點位控制（PTP）和連續(xù)軌跡控制（CP）點位控制（PTP）：點到點的定位控制，既不控制點與點之間的運動軌跡，也不在此過程中進行加工或測量。如數(shù)控鉆床、沖床、鏜床、測量機和點焊工業(yè)機器人等連續(xù)軌跡控制（CP）：又分為直線控制和輪廓控制直線控制是指工作臺相對工具以一定速度沿某個方向的直線運動(單軸或雙軸聯(lián)動)，在此過程中要進行加工或測量。如數(shù)控鏜銑床、大多數(shù)加工中心和弧焊工業(yè)機器人等輪廓控制是控制兩個或兩個以上坐標軸移動的瞬時位置與速度，通過聯(lián)動形成一個平面或空間的輪廓曲線或曲面。如數(shù)控銑床、車床、凸輪磨床、激光切割機和三坐標測量機等1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類速度伺服系統(tǒng)速度控制是保證電機的轉(zhuǎn)速與速度指令要求一致，通常采用PI控制方式。對于動態(tài)響應(yīng)、速度恢復(fù)能力要求特別高的系統(tǒng)，可采用變結(jié)構(gòu)（滑模）控制方式或自適應(yīng)控制方式速度控制既可單獨使用，也可與位置控制聯(lián)合成為雙回路控制，但主回路是位置控制，速度控制作為反饋校正，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，如各種數(shù)控機械的雙回路伺服系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類轉(zhuǎn)矩伺服系統(tǒng)

轉(zhuǎn)矩控制是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小主要應(yīng)用在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類按控制方式分類開環(huán)伺服控制系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類步進電機步進驅(qū)動裝置控制器脈沖串方向脈沖相電壓1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類由控制器送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動執(zhí)行部件，無需位置檢測裝置系統(tǒng)的位置精度主要取決于步進電機的角位移精度、齒輪絲杠等傳動元件的導(dǎo)程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性位置精度較低，其定位精度一般可達±0.02mm。如果采取螺距誤差補償和傳動間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高到?.01mm由于步進電機性能的限制，開環(huán)進給系統(tǒng)的進給速度也受到限制，在脈沖當量為0.01mm時，一般不超過5m/min開環(huán)伺服控制系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類開環(huán)伺服控制系統(tǒng)位置控制控制器步進驅(qū)動器

步進馬達沒有反饋、只能進行一個方向的控制。使用步進馬達。

方向指令1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類開環(huán)伺服控制系統(tǒng)位置控制控制器步進驅(qū)動器

步進馬達１步進角脈沖馬達指令脈沖１脈沖＝例步進角０.３６°的情況１脈沖→０.３６°的動作

１０００脈沖→３６０°（１圈）1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類開環(huán)伺服控制系統(tǒng)位置控制控制器步進驅(qū)動器

步進馬達位置速度＝＝脈沖數(shù)脈沖頻率有失步的可能性急速負荷變動急速速度變動半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器信號處理+—實際位置反饋實際速度反饋功率驅(qū)動—+編碼器伺服電機半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類將檢測裝置裝在伺服電機軸或傳動裝置末端，間接測量移動部件位移來進行位置反饋的進給系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，將編碼器和伺服電機作為一個整體，編碼器完成角位移檢測和速度檢測，用戶無需考慮位置檢測裝置的安裝問題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在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類位置指令位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測+—實際位置反饋實際速度反饋功率驅(qū)動位置檢測—+伺服電機測速發(fā)電機或編碼器閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類將檢測裝置裝在移動部件上，直接測量移動部件的實際位移來進行位置反饋的進給系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機械傳動機構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)只能補償部分誤差，因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些由于采用了位置檢測裝置，所以，閉環(huán)進給系統(tǒng)的位置精度在其他因素確定之后，主要取決于檢測裝置的分辨率和精度由于位置環(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)試都相當困難半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅(qū)動器伺服馬達編碼器位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅(qū)動器伺服馬達編碼器絲性標尺按驅(qū)動方式分1.2.3伺服控制系統(tǒng)的種類1.2.4伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢集成化伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中，構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)1.2.4伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢智能化系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可以通過人機對話的方式由軟件來設(shè)置具有故障自診斷與分析功能、參數(shù)自整定的功能等帶有自整定功能的伺服單元，可以通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)化伺服系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是綜合自動化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物1.2.4伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢簡易化根據(jù)用戶情況，將用戶使用的伺服功能予以強化，使之專而精，而將不使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服系統(tǒng)成本，為客戶創(chuàng)造更多的收益發(fā)展方向：隨著生產(chǎn)力不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展1.2.4伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢充分利用迅速發(fā)展的電子和計算機技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移等因素的影響，可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條件開發(fā)高精度、快速檢測元件開發(fā)高性能的伺服電機。交流伺服電機的變速比已達1∶10000，使用日益增多。無刷電機因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機高兩倍，維護也較方便，常用于高速數(shù)控機床機器人控制系統(tǒng)的特點1.3

機器人伺服控制系統(tǒng)多數(shù)機器人的結(jié)構(gòu)是一個空間開鏈結(jié)構(gòu)，各個關(guān)節(jié)的運動是相互獨立的，為了實現(xiàn)機器人末端執(zhí)行器的運動，需要多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動，因此，機器人控制系統(tǒng)與普通的控制系統(tǒng)比較，要復(fù)雜一些(1)機器人控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)，即使簡單的工業(yè)機器人也有3～5個自由度，比較復(fù)雜的機器人有十幾個自由度，甚至幾十個自由度，每個自由度一般包含一個伺服機構(gòu)，多個獨立的伺服系統(tǒng)必須有機地協(xié)調(diào)起來。例如，機器人的手部運動是所有關(guān)節(jié)的合成運動，要使手部按照一定的軌跡運動，就必須控制各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動，包括運動軌跡、動作時序等多方面的協(xié)調(diào)機器人控制