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1、机电一体化伺服系统本讲稿第一页，共三十四页第一节 伺服系统的概述什么是伺服系统什么是伺服系统伺服系统发展过程及其应用伺服系统发展过程及其应用伺服系统的基本类型伺服系统的基本类型伺服系统的结构组成伺服系统的结构组成伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求本讲稿第二页，共三十四页一一 什么是伺服系统什么是伺服系统U伺服系统伺服系统也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。动控制系统。本讲稿第三页，共三十四页 伺服系统是自动控制系统中的一类，伺服系统是
2、自动控制系统中的一类，1934年第一次提出了伺服机年第一次提出了伺服机构（构（Servomechanism），），1944年世界上第一个伺服系统由麻年世界上第一个伺服系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论的发展，到省理工学院成功研制，随着自动控制理论的发展，到 20世纪世纪中期，伺服系统的理论和实践均趋于成熟。在近几年新技术中期，伺服系统的理论和实践均趋于成熟。在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的发展，伺服的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的发展，伺服系统应用几乎遍及社会的各个领域。系统应用几乎遍及社会的各个领域。二二 伺服系统发展过程及其应用伺服系统发展过程及
3、其应用本讲稿第四页，共三十四页到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。日本松下及安川等公司。本讲稿第五页，共三十四页交流伺服在我国的发展历史我国从我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用集中在高等
4、院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进年代之后开始进入工业领域，直到入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越
5、大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。伺服产品。目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。等主要集中在数控机床领域。本讲稿第六页，共三十四页F机械制造行业：各种机床运动（主轴的旋转和刀具的进给运机械制造行业：各种机床运动（主轴的旋转和刀具的进给运动）部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制，都是依靠动）部分的速度控制、运动
6、轨迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动、直线运动控制，各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统配合，完成复杂的空间运动的控制。而且能依靠多套伺服系统配合，完成复杂的空间运动的控制。本讲稿第七页，共三十四页F在运输行业：电气机车的自动调速、高层建筑中电在运输行业：电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等。等。F在冶金工业：电弧炼钢炉的电极位置控制，轧钢机轧在冶金工业：电弧炼钢炉的电极位置控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都依靠伺服系统来实现，辊压下
7、运动的位置控制等，都依靠伺服系统来实现，而无法由人工操作来代替的。而无法由人工操作来代替的。本讲稿第八页，共三十四页F军事上：伺服系统用的更为普遍，雷达天线的自动瞄准跟军事上：伺服系统用的更为普遍，雷达天线的自动瞄准跟踪控制、高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制、飞行踪控制、高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制、飞行器的姿态驱动控制、载人飞船、精密的导航系统中，陀螺器的姿态驱动控制、载人飞船、精密的导航系统中，陀螺平台稳定系统、激光导引头的目标跟踪、坦克炮塔的防摇平台稳定系统、激光导引头的目标跟踪、坦克炮塔的防摇稳定控制和鱼雷的自动控制等。稳定控制和鱼雷的自动控制等。本讲稿第九页，共三十四页F
8、机器人：手臂关节、六自由度的喷涂机械机器人：手臂关节、六自由度的喷涂机械 手的运动控制等。手的运动控制等。F印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件。件。F计算机外围设备：也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪计算机外围设备：也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。本讲稿第十页，共三十四页伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可以及时准确的跟踪人造卫星的发射，小到用达天线，可以及时准确的跟踪人造卫星的发射，小到用音
9、圈电机来控制电视机的放像头，从航空航天、国防、音圈电机来控制电视机的放像头，从航空航天、国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且其必将发展应用工业生产、交通运输到家庭生活，而且其必将发展应用到更新领域。到更新领域。本讲稿第十一页，共三十四页三三 伺服系统的基本类型伺服系统的基本类型按被控量的不同：位置伺服系统，速度伺服系统，力伺服系统按被控量的不同：位置伺服系统，速度伺服系统，力伺服系统等。最常见的事位置伺服系统，如数控机床的伺服进给系统等。最常见的事位置伺服系统，如数控机床的伺服进给系统等。等。按所采用的执行元件的不同可分为，电气伺服系统、液压伺服系统、气压按所采用的执行元件的不同可分为，电
10、气伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统等。电气伺服系统采用伺服电机或步进电机作为执行元件，在机伺服系统等。电气伺服系统采用伺服电机或步进电机作为执行元件，在机电一体化产品中应用比较广泛。电一体化产品中应用比较广泛。本讲稿第十二页，共三十四页按按控控制制方方式式不不同同：开开环环伺伺服服系系统统，闭闭环环伺伺服服系系统统，半半闭闭环环伺伺服服系系统统。开开环环伺伺服服系系统统中中无无检检测测反反馈馈元元件件，结结构构简简单单，但但精精度度低低；闭闭环环伺伺服服系系统统直直接接对对工工作作台台等等移移动动部部件件进进行行检检测测和和反反馈馈，因因而而精精度度高高，但但结结构构复复杂杂，成成本本高高
11、。半半闭闭环环伺伺服服系系统统的的检检测测反反馈馈元元件件位位于于机机械械执执行行装装置置的的中中间间某某个个部部位位（如如伺伺服服电电机机或或滚滚珠珠丝丝杠杠上上），将将大大部部分分机机械械构构件件封封闭闭在在反反馈馈控控制制环环节之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间。节之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间。本讲稿第十三页，共三十四页比较比较比较比较元件元件元件元件调节调节调节调节元件元件元件元件执行执行执行执行元件元件元件元件被控被控被控被控对象对象对象对象测量、反测量、反测量、反测量、反馈元件馈元件馈元件馈元件输入指令输入指令输入指令输入指令输出量输出量输出量输出量伺服系统组成原理框图伺
12、服系统组成原理框图 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论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执控制器、被控对象、执控制器、被控对象、执控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节行环节、检测环节、比较环节行环节、检测环节、比较环节行环节、检测环节、比较环节等五部分。等五部分。四四 伺服系统的结构组成伺服系统的结构组成本讲稿第十四页，共三十四页1.1.比较元件比较元件比较元件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较。以获比较元件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进
13、行比较。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。来实现。2.2.调节元件（控制器）调节元件（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）控制电路，其主要（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换处理，以控制执行元件按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。要求动作。本讲稿第十五页，共三十四页 3.3.执行元件执行元件 执执行行元元件件的的作作用用是是按按控控制制信信号号的的要要求求，将将输输入入的的各各种种形形式式
14、的的能能量量转转化化成成机机械械能能，驱驱动动被被控控对对象象工工作作。机机电电一一体体化化系系统统中中的的执执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。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 是是伺伺服服系系统统中中被被控控制制的的设设备备或或装装置置，是是直直接接实实现现目目的的功功能能或或主主功功能能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。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需要的量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要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。纲的装
15、置，一般包括传感器和转换电路。本讲稿第十六页，共三十四页五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求精度高：精度高：精度高：精度高：稳定性好：稳定性好：稳定性好：稳定性好：快速响应：快速响应：快速响应：快速响应：调速范围宽：调速范围宽：调速范围宽：调速范围宽：低速大转矩：低速大转矩：低速大转矩：低速大转矩：本讲稿第十七页，共三十四页 精度精度:指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误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：组成元件本身误差组成元件本身误差组成元件本身误差组成元件本身误差传感器的灵敏度和精度传感器的灵敏度和
16、精度传感器的灵敏度和精度传感器的灵敏度和精度机械装置反向间隙和传动误差机械装置反向间隙和传动误差机械装置反向间隙和传动误差机械装置反向间隙和传动误差各元器件的非线性因素等各元器件的非线性因素等各元器件的非线性因素等各元器件的非线性因素等系统本身系统本身系统本身系统本身结构形式结构形式结构形式结构形式输入指令信号的形式输入指令信号的形式输入指令信号的形式输入指令信号的形式五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求本讲稿第十八页，共三十四页稳定性好稳定性好指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或着恢复原有的平衡状态；静态
17、速降应小于到达新的或着恢复原有的平衡状态；静态速降应小于5，动态速降小于动态速降小于10五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求本讲稿第十九页，共三十四页 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，即惯性小。要求：要求：调速范围调速范围调速范围调速范围 是伺服系统提供的最高速与最低速之比是伺服系统提供的最高速与最低速之比是伺服系统提供的最高速与最低速之比是伺服系统提供的最高速与最低速之比 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；无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出
18、额定的力额定的力 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五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求本讲稿第二十页，共三十四页应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不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。致损坏。低速大转矩低速大转矩五五 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求本讲稿第二十一页，共三十四页第二节第二节 伺服系统的执行元件概述伺服系统的执行元件概述执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点执行元件
19、的基本要求执行元件的基本要求常用的控制用电机常用的控制用电机本讲稿第二十二页，共三十四页 一、执行元件的种类及其特点 本讲稿第二十三页，共三十四页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、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
20、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
21、求较高的场合使用。本讲稿第二十四页，共三十四页异步异步电动机机感感应电动机机离合器离合器电动机机永磁同步永磁同步电动机机微型直流减速微型直流减速电动机机电磁式电磁式本讲稿第二十五页，共三十四页液液压式式 本讲稿第二十六页，共三十四页本讲稿第二十七页，共三十四页气压式气压式本讲稿第二十八页，共三十四页应用：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;气动用于工件夹气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线紧、输送等自动化生产线;电动应用最广泛电动应用最广泛.种类特点优点缺点电气式 可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。操作简便；编程容易；能实
22、现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。气压式 气体压力源压力57Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。液压式 液体压力源压力2080Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。本讲稿第二十九页，共三十四页气压系统与液压系统的比较气压系统与液压系统的比较
23、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气，无需回气管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，不污染环境。路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。2.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，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。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、响应快的优点。对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快
24、的优点。5.维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、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特别适用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，也适用于食品和医药的生产过程。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。本讲稿第三十页，共三十四页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本讲稿第三十一页，共三十四页 控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是控
25、制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转将电能转换为机械能的一种能量转换装置。换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产品中机电一体化产品中常用的控常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。三、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、频控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率率(包括指令脉冲包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、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，而驱动精度随驱动对象的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。不同而不同。本讲稿第三十二页，共三十四页步进电机（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)伺服伺服伺服伺服驱动电机一般是指：驱动电机一般是指：驱动电机一般是指：驱动电机一般是指：本讲稿第三十三页，共三十四页本讲稿第三十四页，共三十四页