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1、3 3伺服控制系统模块伺服控制系统模块 概述12 伺服系统概述伺服系统概述第第1212讲内容讲内容伺服系统概述伺服系统概述伺服系统的执行元件概述伺服系统的执行元件概述控制电动机控制电动机伺服系统设计伺服系统设计12 伺服系统概述伺服系统概述第一节第一节 伺服系统概述伺服系统概述n伺服系统基本概念伺服系统基本概念n伺服系统基本类型伺服系统基本类型n伺服系统基本要求伺服系统基本要求12 伺服系统概述伺服系统概述伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。

2、一、伺服系统基本概念一、伺服系统基本概念 电气控制装置电气控制装置机械执行机械执行装置装置执行元件执行元件传传感感器器伺服系统组成图伺服系统组成图12 伺服系统概述伺服系统概述伺服系统的结构组成伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括等五等五部分。部分。伺服系统组成原理框图伺服系统组成原理框图12 伺服系统概述伺服系统概述1.1.比较环节比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信

3、号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。门的电路或计算机来实现。2.2.控制器控制器 控制器通常是计算机或控制器通常是计算机或PIDPID（比例、积分和微分）控（比例、积分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。换处理，以控制执行元件按要求动作。12 伺服系统概述伺服系统概述3.3.执行环节执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量

4、转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4.被控对象被控对象 5.检测环节检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。12 伺服系统概述伺服系统概述伺服系统的特点和功用伺服系统的特点和功用12 伺服系统概述伺服系统概述 按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、

5、速度、力和力矩等伺服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式 二、伺服系统基本类型二、伺服系统基本类型 12 伺服系统概述伺服系统概述 三、三、伺服系统基本要求伺服系统基本要求12 伺服系统概述伺服系统概述 精度精度:指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示稳态误差表示影响伺服系统精度的因素：影响伺服系统精度的因素：三、三、伺服系统基本要求伺服系统基本要求12 伺服系统概述伺服系统概述 在零速时，伺服系统处于在零速时，伺服系统处于“锁定锁定”状态，即惯性小。状态

6、，即惯性小。要求：要求：要大，并且在该范围内，速度稳定；要大，并且在该范围内，速度稳定；maxminnnRn 无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力能输出额定的力 或力矩；或力矩；响应速度响应速度:是衡量伺服系统动态性能的重要指标是衡量伺服系统动态性能的重要指标12 伺服系统概述伺服系统概述应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；冲击；过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏。而不致损坏。低速大转矩低速大转矩

7、12 伺服系统概述伺服系统概述第二节第二节 伺服系统的执行元件概述伺服系统的执行元件概述n执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点n执行元件的基本要求执行元件的基本要求n常用的控制用电机常用的控制用电机12 伺服系统概述伺服系统概述 一、执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点 执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油 缸气压马达气压式气 缸其 他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机12 伺服系统概述伺服系统概述1.电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（伺服电机、交流（AC）伺服电机、

8、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行

9、元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。12 伺服系统概述伺服系统概述异步电动机感应电动机离合器电动机永磁同步电动机微型直流减速电动机电磁式电磁式12 伺服系统概述伺服系统概述液压液压式式 12 伺服系统概述伺服系统概述12 伺服系统概述伺服系统概述气压式气压式12 伺服系统概述伺服系统概述应

10、用：液压系统用于需大的功率重型设备应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧、输送等气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线自动化生产线;电动应用最广泛电动应用最广泛.种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电气气式式 可用商业电源；信号可用商业电源；信号与动力传送方向相同；与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意有交流直流之分；注意使用电压和功率。使用电压和功率。操作简便；编程容易；操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机响应快、易与计算机（CPUCPU）连接；体积小、）连接；体积小、动力大、无污染。动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载瞬时输出功率大；

11、过载差；一旦卡死，会引起差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音烧毁事故；受外界噪音影响大。影响大。气气压压式式 气体压力源压力气体压力源压力5757MpaMpa；要求操作人；要求操作人员技术熟练。员技术熟练。气源方便、成本低；无气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度泄露而污染环境；速度快、操作简便。快、操作简便。功率小、体积大、难于功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音远距离传输困难；噪音大；难于伺服。大；难于伺服。液液压压式式 液体压力源压力液体压力源压力20802080MpaMpa；要求操作；要求操作人员技术熟练。人员技术熟练。输出功率大，速度

12、快、输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机伺服控制；易与计算机（CPUCPU）连接。）连接。设备难于小型化；液压设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。易产生泄露而污染环境。12 伺服系统概述伺服系统概述气压系统与液压系统的比较气压系统与液压系统的比较1.空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。染环境。2.空气粘性很小，在管路中的

13、沿程压力损失为液压系统的干分之空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制一，易于远距离控制。3.工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。工作压力低可降低对气动元件的材料和制造精度要求。4.对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。点。5.维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用

14、于食品和医药的生特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。产过程。12 伺服系统概述伺服系统概述1.惯量小、动力大惯量小、动力大2.体积小、重量轻体积小、重量轻3.便于维修、安装便于维修、安装4.宜于微机控制宜于微机控制二、执行元件的基本要求二、执行元件的基本要求12 伺服系统概述伺服系统概述 控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将将电能转换为机械能的一种能量转换装置。电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产机电一体化产品中品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动

15、作的伺服电机。作的伺服电机。三、三、常用的控制用电机常用的控制用电机 控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率频率(包括指令脉冲包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。动对象的不同而不同。12 伺服系统概述伺服系统概述步进电机（步进电机（Stepping Motor）直流伺服电机直流伺服电机(DC Servo Motor)交流伺服电机交流伺服电机(AC Servo Motor)1

16、2 伺服系统概述伺服系统概述12 伺服系统概述伺服系统概述主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环系统闭环系统:驱动系统具有位置驱动系统具有位置(或速度或速度)反馈环节反馈环节开环系统开环系统:没有位置与速度反馈环节没有位置与速度反馈环节12 伺服系统概述伺服系统概述q开环数控系统n没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大12 伺服系统概

17、述伺服系统概述q无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。q一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。q这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。12 伺服系统概述伺服系统概述q 半闭环数控系统n半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制

18、单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈12 伺服系统概述伺服系统概述n半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。n由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。n半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。12 伺服系统概述伺服系统概述q 全闭环数控系统n全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际

19、位置进行检测。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈12 伺服系统概述伺服系统概述n从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。n由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。n该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。12 伺服系统概述伺服系统概述1、从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括包括 、等五部分。等五部分。伺服系统组成原理框图伺服系统组成原理框图 习题习题12 伺服系统概述伺服系统概述1、伺服系统基本类型、伺服系统基本类型n按控制原理分为 三种形式n按被控制量性质分 、等伺服系统形式n按驱动方式分 、和 等伺服驱动形式n按执行元件分 、伺服形式 习题习题